Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу

Вещества, часто приводящие при авариях к образованию огневого шара, имеют теплоту сгорания Q_H порядка 45–48 МДж/кг.

Для оценки опасности огневых шаров необходимо уметь предсказывать их размер и время существования. В частности, радиус огневого шара R (м) и время его существования т (с) могут быть найдены по эмпирическим формулам работы [115].

При оценке последствий воздействия огневых шаров было принято, что в диапазоне между нижним и верхним пределами воспламенения в период существования огневого шара находится около 60 % массы газа (пара) в облаке и что эта масса более 1000 кг.

Вероятность поражения людей тепловым потоком зависит от индекса дозы теплового излучения I, который определяется из соотношения:

I = t(Q₀R² /Х²)^4/3 (2.42)

где X — расстояние от центра огневого шара (X > R), м;

Q_a — тепловой поток на поверхности огневого шара, кВт/м², значения которого для наиболее распространенных веществ приведены в Таблице № 2.6.

Воздействия огневых шаров на здания и сооружения, не попадающие в пределы самого огневого шара, определяются наличием возгораемых веществ и величиной теплового потока q, которая определяется по формуле:

q = Q₀R²/X², (2.43)

при этом время жизни огневого шара принято равным 15 с.

Таблица № 2.6.

Значения теплового потока на поверхности огневых шаров различных газов диаметром более 10 м.

2.5. Методика расчета температурного режима пожара в помещении

Пожар в помещении представляет собой сочетание специфических процессов, сопровождающихся изменением состава и параметров газовой среды, заполняющей помещение.

Основными среднеобъемными термодинамическими параметрами, характеризующими состояние газовой среды при пожаре [118, 119] являются:

среднеобъемная температура Т_m, К;

среднеобъемная плотность р_m, кг/м³;

среднеобъемное давление р_m, Па;

средние концентрации компонентов газовой смеси x_i (например, 0₂, СO₂, СО и др.).

Газовую среду при пожаре с достаточной точностью можно рассматривать как смесь идеальных газов. Среднеобъемные термодинамические параметры состояния газа в каждой точке пространства связаны между собой уравнением Клапейрона.

Уравнения математического описания пожара, отражающие изменения среднеобъемных параметров состояния газовой среды в процессе развития пожара, выводятся с учетом основных законов физики:

— закона сохранения массы;

— закона сохранения энергии (первого закона термодинамики).

Математическое описание пожара в помещении [118, 119] включает:

усредненное уравнение состояния газовой среды (уравнение Клапейрона)

где R_m — усредненная газовая постоянная;

V — объем помещения, м³;

τ — время, с;

G_B — расход воздуха поступившего в помещение, кг с¹;

ψ — скорость выгорания (количество сгораемого материала, перешедшего в газообразное состояние), кг с¹;

G_g — расход газов, покинувших помещение, кг* с"¹;

k — показатель адиабаты (к = С_р /С_у);

Q_H^P — теплота сгорания, кДж кг¹;

Q_w —количество теплоты, ушедшее в ограждающие конструкции, кДж с¹;

i_B, i_n, i_G — энтальпия соответственно наружного воздуха, продуктов сгорания и уходящих газов, кДж кг¹;

х_1У х₂, х₃ — среднеобъемные концентрации кислорода, рассматриваемого продукта горения и инертного газа в помещении, соответственно;

х_1В, х_2В, х_ав — концентрации кислорода (х_1В ≈ 0,23), продукта горения и инертного газа в окружающей среде соответственно;

n₁ = х_1G / Х₁ ≤ 1,

где

х_1G — концентрация кислорода в уходящих газах, которая может незначительно отличаться от среднеобъемной;

η — коэффициент полноты сгорания;

L₁ — масса кислорода, необходимая для сгорания единицы массы горючего материала;

n₂ = х_2G / Х₂ ≥ 1,

где

х_2G — концентрация продукта в уходящих газах;

L₂ — количество продукта, образующееся в результате сгорания единичной массы вещества;

n₃ = х_3G/х₃ — коэффициент, учитывающий различие концентраций инертного газа в уходящих газах и в помещении.

Начальными условиями для приведенных выше дифференциальных уравнений являются параметры состояния газовой среды (отмеченные индексом «0») в помещении перед пожаром. Они записываются следующим образом:

при τ = 0

Т_m = Т_m0

P_m = Р_m0

p_m = р_m0

x_t = x_t0

Приведенные выше уравнения содержат переменные: Т_m; Р_m; р_m; х₁, х₂; х₃. Число неизвестных равно числу уравнений, следовательно математическое описание пожара в помещении имеет замкнутый характер.

При решении практических задач система уравнений может быть упрощена. Допускается также использование различных эмпирических зависимостей, описывающих теплообмен очага пожара со строительными конструкциями.

Расширить область применения способа моделирования позволяют зональные методы. Исследуемый объем разбивается на зоны, для которых можно использовать интегральные модели. Зоны выбираются таким образом, чтобы в пределах каждой из них газовую среду в очаге пожара можно было достаточно точно описать усредненными параметрами.