Изучение динамики пожара и его воздействия на строительные конструкции помещения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ

ТЕПЛОТЕХНИКА

Галашева А.И.

Сыктывкар 2018



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. РАСЧЕТ СРЕДНЕОБЪЕМНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ В ПОМЕЩЕНИИ ПРИ ПОЖАРЕ

2. РАСЧЕТ ЛОКАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ В ПОМЕЩЕНИИ ПРИ ПОЖАРЕ

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ РАБОЧЕЙ АРМАТУРЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ КОЛОННЫ

ЛИТЕРАТУРА



ВВЕДЕНИЕ

Изучение динамики пожара и его воздействия на строительные конструкции помещения позволяет говорить о пожаре как о явлении многофакторном. Следует выделить группу факторов, характеризующих конструкции (вид материала, теплофизические характеристики, критическая температура, прочностные свойства, геометрические характеристики), и группу факторов, определяющих условия горения (пожарная нагрузка, геометрические характеристики помещения, состояние окружающей среды). Изменение одного или нескольких факторов заметно влияет на развитие пожара. В одном и том же помещении может быть большое количество различных режимов пожара, отличающихся временем и интенсивностью развития, тепловым воздействием на ограждающие конструкции помещения.

В связи с этим вводится понятие эквивалентной продолжительности пожара. Переход от продолжительности реального пожара к эквивалентной продолжительности пожара через строительные конструкции позволяет свести пожары, возможные в данном помещении, к стандартному, по режиму которого исследуют пределы огнестойкости строительных конструкций. Это дает возможность по значениям пределов огнестойкости строительных конструкций прогнозировать их поведение в условиях реальных пожаров.

В данной работе рассмотрена огнестойкость строительных конструкций, обусловленная потерей их несущей способности.



1. РАСЧЕТ СРЕДНЕОБЪЕМНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ В ПОМЕЩЕНИИ ПРИ ПОЖАРЕ

Производство, связанное с обращением ГЖ, размещено в помещении размерами 5866 м и высотой Н = 15 м. При аварии технологических аппаратов возможен розлив жидкости на пол и соответственно, возникновение пожара. При возможной аварии, предусмотрены устройства, ограничивающие растекание жидкости на полу площадью не более f = 140 м2. Расстояние от предполагаемой границы горения до стены с оконными и дверными проемами, через которые будет происходить газообмен при пожаре с внешней средой l = 26 м.

Механическая вентиляция при возникновении пожара выключается. За счет естественного газообмена в помещение до пожара поступало Vа = 9 м3/с воздуха.

Рассчитайте возможную среднеобъемную температуру среды в помещении при возникновении пожара через 2, 5, 15 и 30 мин его развития.

Постройте график изменения среднеобъемной температуры среды в помещении при пожаре во времени.

Результаты расчета представить в виде таблицы и графика.

Решение.

1. Для амилового спирта:

М0 - массовая скорость выгорания, М0= 1,75 · 10-2 кг/(м2с);

Qpн- низшая рабочая теплота сгорания, Qpн = 39047кДж/кг;

V0 - теоретический объем воздуха, необходимый для горения, V0 = 9,1м3/кг;

V0г- теоретический объем продуктов горения, V0г= 10м3/кг.

2. Определяем площадь поверхности теплообмена F:

F = 2 · (a + b) · H + 2 · a · b = 2 · (58 + 66) · 15 + 2 · 58 · 66 = 11376 м2



Объем воздуха в помещении Vп

Vп = a· b · H= 58 · 66 · 15 = 57420 м3

3. Масса жидкости, сгорающей при пожаре:

,

- при ф = 2 мин

-

,

- при ф = 5 мин

-

,

- при ф = 15 мин

-

,

- при ф = 30 мин

-

,

Результаты расчетов сведены в таблицу 1.



ф, мин	0	1	2	5	10	15	20	25	30
В, кг/с	0,735	0,775	0,792	0,825	0,863	0,892	0,916	0,937	0,956

ф, мин	2	5	15	30
В, кг/с	0,792	0,825	0,892	0,956

4. Среднее значение коэффициента избытка воздуха:

,

5. Определяем приведенный действительный объем продуктов горения, образующихся при сгорании 1 кг жидкости и коэффициенте избытка воздуха бm, мі/кг:

Vг = V0г + V0 (бm - 1),

гдеV0г - объем продуктов горения, образующихся при сгорании 1 кг горючей жидкости и теоретически необходимом количестве воздуха, мі/кг;

V0 - количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг горючей жидкости, мі/кг;

бm- коэффициент избытка воздуха.

Vг = 10 + 9,1 (0,989 - 1) = 9,9 мі/кг

6. Принимаем среднеобъемную температуру при ф1 = 2 мин:

Тm1 = 592 K.

7. Определяем значение адиабатной температура температуры жидкостиТаи удельную объемную изобарную теплоемкость продуктов горения при постоянномдавленииСр.

Адиабатная температура Ta

,

8. Удельная объемная изобарная теплоемкость продуктов горения при постоянномдавленииСр: температура пожар железобетонный колонна

,

9. Приведенная степень чернотысистемы «среда-поверхность ограждения»:

,,

10. Определяем значение адиабатной температуры горения жидкостиТа.

,

гдез- коэффициент полноты горения (з = 1);

Qpн - теплота сгорания жидкости, Qpн = 39047 кДж/кг.

,

11. Проверяем среднеобъемную температуру среды в помещении при ф1 = 2 мин при полученных значениях:



,

где у0- константа излучения абсолютного черного тела, у0 = 5,7•10-8 Вт/(мІ•К).

,

Что соотносится с ранее принятым.

12. Принимаем среднеобъемную температуру при ф2 = 5 мин:

Тm2 = 598 K.

,

,

Что соотносится с ранее принятым.

13. Принимаем среднеобъемную температуру при ф3 = 15 мин:

Тm2 = 607 K.

,

,

Что соотносится с ранее принятым.

14. Принимаем среднеобъемную температуру при ф4 = 30 мин:

Тm2 = 615 K.

,

,

Что соотносится с ранее принятым.

15. Результаты расчета сведены в таблицу 2.

ф, мин	0	1	2	5	10	15	20	25	30
Tm,ф, К	585	590	592	598	602	607	610	613	615

ф, мин	2	5	15	30
Tm,ф, К	592	598	607	615

По результатам расчетов построен график изменения среднеобъемной температуры во времени Tm = f(ф) (рис. 1).

Рисунок 1 - График изменения среднеобъемной температуры во времени Tm = f(ф)

2. РАСЧЕТ ЛОКАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ В ПОМЕЩЕНИИ ПРИ ПОЖАРЕ

Используя условия и результаты расчетов задания 1, рассчитайте возможные значения температур среды в помещении:

- под перекрытием над факелом для ф = 2, 5, 15 и 30 мин развития пожара. По результатам расчетов этого пункта постройте график изменения температуры во времени Т(х = о, у = н) = f(ф);

- локальную в точках, находящихся на высоте у =1,5 м от пола и расстояниях от границы горения 0,25 l, 0,5 l, 0.75 lи l, через 2, 5, 15 и 30 мин его развития. По результатам расчетов этого пункта постройте графики Т(х , у = 1,5) = f(ф).

Результаты расчета представить в виде таблицы 1 и графиков.

Решение.

1.Определяемзначение температуры под перекрытием над факелом Т(х = о, у = Н) для ф = 2, 5, 15 и 30 мин развития пожара.

,

- при ф = 2 мин

,

- при ф = 5 мин

,

- при ф = 15 мин

,

- при ф = 30 мин



,

2. Определяем локальную температуру в точках, находящихся на высоте у = 1,5 м от пола и нарасстояниях от границы горения 0,25l; 0,5l; 0,75l и l для ф = 2, 5, 15 и 30 мин развития пожара

,

3. Результаты расчета сведены в таблицу 3.

ф, мин	0	1	2	5	10	15	20	25	30
Tm,ф, К	585	590	592	598	602	607	610	613	615
Т(х = 0, у = Н), К	702	708	710,4	717,6	722,4	728,4	732	735,6	738
Т(х =0,25l, у = 1,5), К	530,7	535,2	537,1	542,5	546,1	550,7	553,4	556,1	557,9
Т(х =0,5l, у = 1,5), К	489,7	493,9	495,6	500,6	504	508,2	510,7	513,2	514,9
Т(х =0,75l, у = 1,5), К	469,3	473,3	474,9	479,7	482,9	486,9	489,3	491,7	493,3
Т(х =l, у = 1,5), К	651,6	657,2	659,4	666,1	670,5	676,1	679,4	682,8	685

ф, мин	2	5	15	30
Tm,ф, К	592	598	607	615
Т(х = о, у = Н), К	710,4	717,6	728,4	738
Т(х =0,25l, у = 1,5), К	537,1	542,5	550,7	557,9
Т(х =0,5l, у = 1,5), К	495,6	500,6	508,2	514,9
Т(х =0,75l, у = 1,5), К	474,9	479,7	486,9	493,3
Т(х =l, у = 1,5), К	659,4	666,1	676,1	685

По результатам расчетов построен график изменения температуры среды на высоте 1,5 м во времени и на различных расстояниях от границы горения Т(х, у = 1,5) = f(ф) (рис. 2).

4. По результатам расчетов п.п.1 и 2 построены зависимости (рис.3):

а) Tm = f(ф) - зависимость среднеобъемной температуры от времени;

б) Т(х = о, у = н) = f(ф) - зависимость температуры под перекрытием;

в) Т(х = l, у = 1,5) = f(ф) - зависимость температуры на высоте 1,5 м в торце цеха.

Рисунок 2 - График изменения температуры среды на высоте 1,5 м во времени и на различных расстояниях от границы горения Т(х, у = 1,5) = f(ф)

Рисунок 3 - Графикизависимости:



3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ РАБОЧЕЙ АРМАТУРЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ КОЛОННЫ

В результате пожара в производственном помещении, одна из железобетонных колонн цилиндрической формы радиусом R = 120 мм оказалась в среде (продукты сгорания), температура которой мгновенно повышается до температуры tf = 700 0С и остается постоянной. Начальная температура колонны t0 = 20 0С.

Определить толщину защитного слоя (бетон) рабочей арматуры , при которой через ф = 5,5 часов прогрева температура на поверхности рабочей арматуры не превышала бы толщину защитного слоя рабочей арматуры в железобетонных колоннах tкр = 500 0С.

Результаты расчета занести в таблицу.

с= 1800 кг/м3, с=770Дж/(кг·0С),0 = 0,85 Вт/(м·0С),b = 0,0009

Решение.

По условию задачи необходимо найти толщину защитного слоя арматуры, которая определяется расстоянием от поверхности колонны до точки пересечения кривой распределения температур по радиусу r цилиндра с критической температурой арматуры.

Определяем величину коэффициента теплоотдачи б от продуктов горения к колонне:

.



Определяем среднюю температуру tmв первом приближении

,

Вычисляем коэффициенты теплопроводности и температуропроводностиа:

=0 + bt = 0,85 + 0,0009 · 360 = 1,17 Вт/(м·0С),

,

Определяем значения критериевБиоBi и ФурьеFо:

,

,

По графикам определяем соответствующие значения безразмерных относительных температур иR и и0.

иR= 0,62;и0 = 0,75

Из найденных величиниR и и0определяем значения температур tR и tr=0:

,

,

Определяем новое значение средней температуры tm:

,

Если полученное значение tm отличается от ранее принятого более чем на 5%, то расчет повторяется с п. 4, принимая при этом за среднюю температуру вновь полученное значение в п. 8.

9. При достижении заданной точности, по полученным значениям температур на поверхности tR и оси tr=0 цилиндра, а также температуры продуктов горения tf построить в масштабе кривую распределения температур по радиусу цилиндра. Для более точного построения температурной кривой вычислить температуру в двух промежуточных точках по радиусу r цилиндра при r = r1 = R/3 и r = r1 = 2 R/3 по формуле согласно [1]:

10. С помощью полученного графика, определить толщину защитного слоя арматуры, которая соответствует расстоянию между поверхностью колонны и точкой пересечения температурной кривой с критической температурой tкр.

При нахождении распределения температур необходимо определить температуры в двух точках -- на поверхности tR (x = R) и на оси tr=0 (x = 0) цилиндра. Температуры в этих точках находятся с помощью графиков 1 и 2, соответственно (см. приложение 2).

На графиках по оси абсцисс отложены значения критерия Фурье:

Fо=,

а кривые линии соответствуют значениям критерия Био:

Bi =

На оси ординат графика 1 приложения 2 отложена относительная разность температур на поверхности цилиндра а на оси ординат графика 2 приложения -- относительная разность температур на оси цилиндра:

Следовательно, чтобы определить температуры tR и tr=0, необходимо с начало вычислить критерии Bi и Fo, а затем по соответствующим графикам 1 и 2 приложения 2 найти точки пересечения кривой Bi с перпендикуляром, восстановленным к оси Fo, и спроектировать эту точку на ось ординат.

Таким образом, находим значения и , которые в свою очередь позволяют определить значения температур tR и tr=0.

Однако вычисление корректны значений критериев Bi и Fo затрудняется из-за зависимости физических свойств материала колонны от температуры, т. е. а = f(tm) и ? = f(tm).

Здесь

но, tR и tr=0 неизвестны до расчета.

В этом случае последовательность определения температур такова.

Выписать численные значения исходных термодинамических параметров своего варианта и перевести эти значения, если требуется, в единую Международную систему единиц (СИ).



ЛИТЕРАТУРА

1. Романенко П.Н., Кошмаров Ю.А., Башкирцев М.П. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1977.

2. Задачник по термодинамике и теплопередаче в пожарном деле. Под ред. канд. тех. наук доцента М.П. Башкирцева. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1979.

3. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. Учеб.пособие для вузов.-М.: Высшая школа, 1980.

Размещено на Allbest.ru

...