Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературных источников 12
1.1.Х арактеристики пожарной нагрузки и современных строительных материалов
1.2. Влияние токсичных продуктов горения на организм человека при горении современных строительных материалов
1.3. Современные средства защиты органов дыхания и зрения. Самоспасатели
1.4. Выводы по первой главе и постановка задач исследования 62
2. Методы расчета динамики изменения концентраций токсичных газов на путях эвакуации при пожаре в зданиях и сооружениях
2.1. Полевая математическая модель расчёта тепломассообмена при пожаре
2.2. Метод расчёта необходимого времени эвакуации из зальных помещений по ГОСТ 12.1.004 -91*
2.3. Метод расчёта необходимого времени эвакуации из коридоров зданий по ГОСТ 12.1.004-91
2.4. Зонная модель расчета динамики опасных факторов пожара 83
2.5. Математическая модель расчёта выделения токсичного газа при по жаре в здании и сооружении
2.6. Методика расчёта выделения токсичного газа при пожаре в здании и сооружении
2.7. Тестирование математической модели расчёта выделения токсичного газа при пожаре в здании и сооружении на экспериментальных данных
2.8. Выводы по второй главе 105
3. Определение эффективности самоспасателей на основе аналитического решения интегральной модели
3.1. Сравнительный анализ опасности токсичных газов при пожаре в здаюб ниях и сооружениях
3.2. Оценка эффективности применения самоспасателей при пожарах в зданиях и сооружениях
3.3. Выводы по третьей главе 135
4. Численные эксперименты динамики изменения концентраций токсичных газов на путях эвакуации при пожаре в зданиях и сооружениях 137
4.1. Исходные данные для численного эксперимента динамики концен траций токсичных газов на путях эвакуации при пожарах в зданиях и сооружениях 137
4.2 Результаты численных экспериментов и их анализ 141
4.3. Рекомендации по использованию портативных фильтрующих само спасателей при эвакуации на пожарах 149
4.4. Выводы по четвёртой главе 150
Заключение 152
Литература
- Влияние токсичных продуктов горения на организм человека при горении современных строительных материалов
- Метод расчёта необходимого времени эвакуации из зальных помещений по ГОСТ 12.1.004
- Оценка эффективности применения самоспасателей при пожарах в зданиях и сооружениях
- Рекомендации по использованию портативных фильтрующих само спасателей при эвакуации на пожарах
Введение к работе
В связи с переходом многих стран мира к гибкому объектно-ориентированному противопожарному нормированию в строительстве математическое моделирование пожаров становится определяющим звеном при решении различных задач пожарной безопасности. Федеральное законодательство, в частности, Федеральный закон «О техническом регулировании» [1] и стандарт пожарной безопасности [2], обеспечивают законодательную базу реализации на практике принципа гибкого нормирования.
Объёмно-планировочные решения зданий и сооружений должны обеспечивать безопасную эвакуацию людей при пожаре. При анализе пожарной опасности в соответствии с нормативными документами [3, 4] могут использоваться расчетные сценарии, основанные на математическом моделировании опасных факторов пожара (ОФП) и позволяющие определить риск для людей и выбрать наиболее эффективные системы противопожарной защиты.
Для определения необходимого времени .эвакуации людей необходимо уметь определять динамику изменения концентраций продуктов горения на путях эвакуации при пожаре в зданиях и сооружениях. Расчёт количества выделяющихся токсичных газов требует знания химического состава и концентраций компонентов, образующихся в процессе газификации твёрдых и жидких горючих веществ. В настоящее время эта проблема не решена как с теоретической так и с экспериментальной точек зрения, из-за сложности физико-химических условий протекания процесса.
Сложность разработки вышеуказанного метода расчета также заключается в многофакторности и нелинейности задачи. Моделирование тепломассообмена при пожаре представляет собой крайне сложную, в полном виде не решенную проблему [5-11].
Реальный пожар как неконтролируемое горение является сложным, до конца не изученным, существенно нестационарным и трехмерным теплофизи-ческим процессом, сопровождающимся изменением химического состава и параметров газовой среды помещения.
О сложности решения такой задачи также говорит тот факт, что математическое моделирование турбулентного тепломассообмена в сложных термогазодинамических условиях вместе с другими задачами нелинейной физики входит в список, составленный Российской академией наук [12], тридцати особо важных и интересных проблем физики на ближайшие годы.
Для повышения уровня безопасности при чрезвычайных ситуациях в зданиях с массовым пребыванием людей внедряются портативные фильтрующие самоспасатели для обеспечения безопасной эвакуации людей при пожаре.
Математическое моделирование выделения и распространения токсичных газов позволяет оценить эффективность и необходимость использования портативных фильтрующих самоспасателей для спасения жизни и здоровья людей при эвакуации на пожарах, что также является актуальной задачей с научной и практической точек зрения.
Требования к портативным фильтрующим самоспасателям регламентированы нормативным документом НПБ 302-2001 [13] и являются достаточно «же-сткими». 1 ак, например, начальная массовая концентрация монооксида углерода в воздухе, подаваемом в самоспасатель, составляет 0,0062±0,0003 кг/м3, что существенно превышает предельно допустимое значение (ПДЗ) для безопасной эвакуации людей, равное 1,16-10" кг/м [2].
Производство и использование самоспасателей с высоким уровнем защиты от СО связано с серьёзными трудностями технико-экономического и эксплуатационного характера. Возникает необходимость оценки возможности использования самоспасателей без защиты от монооксида углерода (СО), с целью существенного расширения ассортимента изделий и реальной укомплектованности объектов самоспасателями.
Однако, в большинстве литературных источников [6-8, 11, 14-17] экспериментальные и теоретические результаты показывают, что массовые концентрации СО не достигают ПДЗ за все время эвакуации или достигают после наступления температурой её критической величины в помещении.
Поэтому использование портативных фильтрующих самоспасателей, не удовлетворяющих по защите от монооксида углерода НПБ 302-2001 [13], может быть эффективным для спасения жизни и здоровья людей на пожарах.
В данной работе на основе предложенных физико-математических методов моделирования выделения и распространения токсичных газов проведено теоретическое исследование очерёдности достижения ОФП их ПДЗ и эффективности использования портативных фильтрующих самоспасателей в помещениях различного функционального назначения, с учётом особенностей объёмно-планировочных решений и образования ранее не рассматривающихся токсичных газов (акролеин и циановодород), которые во многих случаях представляют бо'лыпую угрозу по сравнению с другими ОФП, в том числе и с СО.
Объектом исследования в диссертации являются тепломассообменные процессы при пожаре в зданиях и сооружениях, являющиеся основой для обоснования и разработки объемно-планировочных решений и выполнения расчётов по определению критической продолжительности пожара по ОФП и необходимого времени эвакуации людей из помещений, а также эффективности использования портативных фильтрующих самоспсателей.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка метода расчета выделения и распространения токсичных продуктов горения при пожаре в зданиях и сооружениях с учётом их объёмно-планировочных решений и изменения параметров пожара и позволяющего более точно, чем существующие методы, рассчитать критическую продолжительность пожара по отдельным ОФП, и необходимое время эвакуации людей, и выдать рекомендаций по эффективному использованию портативных фильтрующих самоспасателей. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ отечественных и зарубежных статистических данных по составу и уровням концентраций продуктов горения на путях эвакуации при пожарах в зданиях и сооружениях различного функционального назначения;
выполнить анализ данных из различных литературных источников по воздействию монооксида углерода и других токсичных газов на организм человека для выбора и обоснования ПДЗ ОФП;
разработать математическую модель и методику расчёта выделения и распространения токсичных газов при горении веществ и материалов (на примере монооксида углерода), с учётом объёмно-планировочных решений зданий, а также изменения температуры пожара, концентрации кислорода в зоне горения и коэффициента теплопотерь;
выполнить тестирование предложенного метода расчёта на эксперимен
тальных данных;
произвести численный эксперимент и выполнить анализ динамики выделения продуктов горения (в первую очередь монооксида углерода) на путях эвакуации при пожарах в зданиях и сооружениях различного назначения и объёмно-планировочных решений по современным полевой и зонным моделям, а также с использованием нормативных методов расчета (ГОСТ 12.1.004-91*) в течение времени эвакуации;
разработать научно-обоснованные рекомендации по использованию портативных фильтрующих самоспасателей (в том числе без дополнительной защиты от монооксида углерода) для спасения жизни и здоровья людей при эва-куации на пожарах с учётом объёмно-планировочных решений зданий и сооружений;
Научная новизна:
впервые произведён расчёт критической продолжительности пожара по таким токсичным газам, как акролеин и циановодород, что меняет существующие представления об очерёдности достижения токсичными газами критических значений и динамике ОФП в зданиях и сооружениях;
разработана математическая модель и методика расчёта выделения токсичных газов, на примере монооксида углерода, при горении веществ и материалов, учитывающая изменения температуры пожара, концентрации кислорода в зоне горения и коэффициента теплопотерь, позволяющая более точно рас-
считывать критические продолжительности пожара по отдельным факторам и необходимое время эвакуации людей в зависимости от термогазодинамической картины пожара и объёмно-планировочных решений зданий и сооружений;
разработана математическая модель и методика оценки эффективности портативных фильтрующих самоспасателей при пожаре в помещении, позволяющие определять необходимость использования самоспасателя, его вид и характеристики, в зависимости от термогазодинамической картины пожара и объёмно-планировочных решений зданий и сооружений;
получены новые данные по динамике полей СО в помещениях со сложной геометрией (коридоры, атриумы и т.д.) с использованием зонных и полевых методов расчёта динамики ОФП;
разработаны научно-обоснованные рекомендации по эффективному использованию фильтрующих самоспасателей при пожарах в зданиях и сооружениях различного функционального назначения.
Достоверность т
Полученные данные по динамике ОФП рассчитаны с использованием апробированных физико-математических методов анализа, а также численного решения дифференциальных уравнений в частных производных. Предложенные математические модели, имеют достаточно точное для инженерных методов расчётов совпадение с экспериментальными и теоретическими данными, полученными в том числе при изучении реальных пожаров специалистами различных стран мира.
Практическое значение работы заключается в совершенствовании научной основы обеспечения безопасности эвакуации людей при пожаре в зданиях и сооружениях. Предложенные методики расчёта выделения и распространения моноксида углерода, акролеина, циановодорода, хлороводорода и др. токсичных продуктов горения, а также необходимого времени эвакуации, позволяют более надёжно, чем существующие, разрабатывать и обосновывать объемно-планировочные решения зданий и сооружений различного функционального назначения, с точки зрения безопасной эвакуации людей, а таюке оценивать
эффективность использования портативных фильтрующих самоспасателей при эвакуации людей на пожарах.
Апробация работы:
Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на XV и XVI международной школе - семинаре молодых учёных, аспирантов и студентов «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках» под руководством академика А.И. Леонтьева (Калуга, 2005; Санкт-Петербург, 2007), на международной школе - конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» (Рыбинск, 2006), на XIII и XIV научно-технических конференциях «Системы безопасности» - СБ-2004, 2005 (М., 2004, 2005), на объединенном заседании кафедр инженерной теплофизики и гидравлики, пожарной безопасности в строительстве, процессов горения, по-жарно-строевой и газодымозащитной подготовки, физики, пожарной тактики и службы, пожарной техники Академии ГПС МЧС России (М., 2008).
Внедрение:
- новые данные по образованию и распространению токсичных ОФП ис
пользовались при разработке «Противопожарных мероприятий жилого ком
плекса с подземными автостоянками по адресу: г. Москва, ул. Генерала Глаго
лева, вл. 26».
- разработанная математическая модель и методика определения времени
эффективного использования фильтрующего самоспасателя на пожаре были
использованы в отчёте «Проведение исследований по разработке средства за
щиты органов дыхания, предназначенного к массовому использованию для за
щиты населения при угрозах и проявлениях террористических актов на объек
тах метрополитена», а также используются при выполнении научно-
исследовательских и конструкторских работ в научно-внедренческом центре
ООО «Эпицентр-маркет»-производителя фильтрующих самоспасателей «Фе
никс»;
- предложенная математическая модель используются при проведении лекционных и практических занятий со слушателями и курсантами по дисциплине «Прогнозирование опасных факторов пожара».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 269 страниц, в том числе 41 рисунок, 51 таблица, список литературы из 130 наименований и трёх приложений из 105 страниц.
На защиту выносятся:
данные о концентрациях токсичных газов выделяющихся при горении веществ и материалов в зданиях и сооружениях, а также воздействие токсичных газов на организм человека с целью выбора и обоснования ПДЗ;
математическая модель и методика расчёта выделения токсичных газов, на примере монооксида углерода, в помещениях, учитывающая объёмно-планировочные решения и изменение температуры пожара, концентрации кислорода, и коэффициента теплопотерь;
методики оценки эффективности использования портативных фильтрующих самоспасателей на пожаре для безопасной эвакуации людей с учётом объёмно-планировочных решений;
результаты расчётов по определению критических продолжительностей пожара по отдельным ОФП (включая впервые рассматриваемые токсичные газы: акролеин и циановодород) при горении всех 67 пожарных нагрузок и горючих веществ, включённых в нормативную базу пожарных нагрузок, для типовых объёмно-планировочных решений зданий и сооружений на основе интегральной математической модели расчёта динамики ОФП;
результаты численных экспериментов по динамике полей СО при расчётах термогазодинамики пожара при типовых объёмно-планировочных решениях зданий и сооружений, полученных с использованием полевой и зонной математических моделей пожара в помещении.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность проблемы, кратко сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлены результаты обзора научно-технических источников, в которых представлены данные экспериментальных исследований по выделению токсичных газов при сгорании пожарной нагрузки (ПН), полученные специалистами России и других стран мира. Отмечено, что наиболее опасными и часто встречающимися на пожарах в зданиях и сооружениях являются токсичные газы: монооксид углерода, акролеин, хлороводород, цианово-дород, альдегиды, аммиак и др. Произведён анализ основных веществ и материалов, составляющих современную пожарную нагрузку зданий и сооружений, указаны различные уровни концентраций токсичных газов при воздействии которых на организм человека проявляются различного вида симптомы отравления. Изучены современные средства защиты органов дыхания и зрения, в частности, фильтрующие самоспасатели, их назначение, виды, различия между самоспасателями различных производителей, требования, предъявляемые к ним, выявлены преимущества и недостатки.
В конце главы сделаны выводы и выполнена постановка задач исследования.
Во второй главе рассмотрены особенности математического моделирования тепломассообмена при пожаре в помещении и динамики ОФП. Проведён анализ существующих методов расчета газодинамики и тепломассобмена при пожарах в зданиях и сооружениях. Представлены методы прогнозирования ОФП с помощью интегральной [2], зонной и полевой математических моделей пожара в помещении, изложены их недостатки и преимущества. Представлена разработанная математическая модель и методика расчёта выделения токсичных газов при сгорании материалов, разработанная с учётом термохимического процесса образования токсичных газов при пожаре, учитывающая изменения
температуры, концентрации кислорода в помещении и коэффициента теплопо-терь, позволяющая более точно, относительно реального пожара, определять критическую продолжительность пожара и необходимое время эвакуации людей по газообразным продуктам горения. В конце главы сделаны выводы.
В третьей главе произведены расчёты по определению критической продолжительности пожара по отдельным факторам (повышенная температура, пониженная концентрация кислорода, потеря видимости в дыму, по газообразным продуктам горения: СОг, СО, НС1, HCN, акролеин) и эффективности использования портативных фильтрующих самоспасателей при пожарах в зданиях и сооружениях, с использованием формул интегральной математической модели расчёта динамики опасных факторов пожара.
Представлены методики, позволяющих оценить наличие опасности от токсичных газов, как в помещении, так и подмасочном пространстве самоспасателя. Данные методики отличаются друг от друга целями и задачами исследования, уровнем детализации термогазодинамической картины пожара, позволяющие определять необходимость использования самоспасателя, его вид, марку и характеристики в зависимости от обстановки на пожаре и объёмно-планировочных решений зданий и сооружений. Представлена формула, позволяющая определять наличие опасности от токсичных газов в подмасочном пространстве самоспасателей различных производителей. Выполнены расчёты критических продолжительностей пожара не только для «традиционных» факторов пожара, но и для таких токсичных газов как акролеин и циановодород. Результатом проделанной работы стали выводы по динамике ОФП, которые в значительной степени меняют имеющиеся представления об очерёдности достижения опасными факторами пожара своих предельно-допустимых значений. Отмечено, что при изменении объёмно-планировочных решений здания или сооружения, в случае сгорания однотипной пожарной нагрузки, возможна смена вида, в первую очередь достигающего критических значений, опасного фактора пожара.
В четвёртой главе произведены численные эксперименты по прогнозированию ОФП с помощью полевой и зонной математических моделей в зданиях и сооружениях различного функционального назначения при типовых объёмно-планировочных решениях. Представлены характеристики этих зданий и сооружений, времена критической продолжительности пожара по отдельным опасным факторам в помещениях этих зданий и сооружений. Полученные данные представлены в виде рисунков и схем, на которых изображены поля температур, скоростей газовых потоков, оптической плотности дыма, концентраций токсичных газов. На основании выполненных расчётов разработаны научно-обоснованные рекомендации по эффективному использованию самоспасателей в зданиях и сооружениях.
В конце главы деланы соответствующие выводы.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.
Влияние токсичных продуктов горения на организм человека при горении современных строительных материалов
Токсичность - степень вредного воздействия химического вещества на живой организм. Количественно её определяют часто как меру несовместимости вещества с жизнью организма [30].
Предельно-допустимая концентрация (ПДК) - концентрация химического соединения, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких-либо патологических изменений или заболеваний, обнаруживаемых современными методами исследования, а также не нарушает биологического оптимума для человека [25].
При горении веществ и материалов, составляющих основную пожарную нагрузку современных зданий и сооружений, могут выделяться десятки химических соединений. Химические составы продуктов горения пожарной нагрузки помещений различных зданий и сооружений представлены в главе 1.1, откуда видно, что в количественном отношении, как правило, преобладают оксид углерода, циановодород, хлороводород, оксиды азота, акролеин, а в ряде случаев и другие летучие вещества. Например, в продуктах термического разложения поливинилхлорида обнаружено 75 компонентов, а древесины более 200. Токсичный эффект таких сложных смесей определяется содержанием токсичных компонентов, а также характером их комбинированного действия на живой организм.
Оценивая опасность вредного воздействия токсичных газов на организм человека, необходимо учитывать какие компоненты газовой смеси наиболее опасны, т.е. соединения, преобладающие в количественном отношении и характеризующиеся к тому же высокой биологической активностью.
Рассмотрим наиболее подробно некоторые токсичные газы, а также их влияние на организм человека.
Монооксид углерода (угарный газ, СО) - один из сильнейших токсикантов. Это бесцветный, не имеющий запаха газ плотностью 1,25 по воздуху, сла борастворим в воде, лучше в органических растворителях. Результаты экспериментов показывают, что СО выделяется при горении практически всех материалов и его концентрации нередко достигают летальных значений, что также подтверждено данными судебно-медицинской экспертизы.
Механизм воздействия оксида углерода на организм человека.
Выделяясь при горении и поступая с воздухом в легкие, СО проникает в кровь, где соединяется с гемоглобином, вследствие чего образуется - карбоксигемоглобин (НЬСО) - нарушается транспортировка и передача кислорода тканям, развивается кислородная недостаточность организма, что в значительной степени влияет на работу нервной и сердечно-сосудистой системы.
Выделение СО при горении и термическом разложении пожарной нагрузки вызывает у людей кислородную недостаточность, которая в свою очередь негативно влияет на работу нервной и сердечно-сосудистой систем: поступая с воздухом в легкие, СО проникает в кровь, где соединяется с гемоглобином образуя - карбоксигемоглобин (НЬСО). В результате этого процесса происходит отравление организма, который сопровождается тошнотой, рвотой, головокружением, ослаблением зрения, потерей сознания. Физические нагрузки ускоряют отравление организма. Первые симптомы отравления (головная боль, расширение сосудов кожи) отмечаются при содержании в крови карбоксигемоглобина 10-20 %, увеличение содержания карбоксигемоглобина до 40 % сопровождается ослаблением зрения, головокружением, тошнотой, рвотой, а в некоторых случаях - потерей сознания, смертельный уровень карбоксигемоглобина обычно превышает 50 %. Физическая нагрузка способствует более раннему отравлению. Летальные концентрации СО, при которой смерть человека наступает в течение от 60 до 3 минут, находятся в пределах 0,2 - 1 %. (0,0023 - 0,0115 кг/м3) [30].
Количество выделяемого СО зависит от условий горения (пламенное горение или тление) и определяется не только природой материалов (композиционным составом, плотностью, термостойкостью и т.д.).
Химические реакции образования СО и С02 при сгорании пожарной нагрузки представлены в главе 2.5 данной работы.
Диоксид углерода (углекислый газ, С02) - конечный продукт окисления СО. С02-бесцветный газ кисловатого вкуса и запаха, приблизительно в полтора раза тяжелее воздуха, относится к классу малотоксичных веществ.
Без исключения всегда образуется при горении пожарной нагрузки, вызывая у людей учащённое дыхание и как следствие ещё большее поступление в лёгкие человека токсических веществ.
Содержание 5-ти % концентрации С02 в воздухе помещения вызывает одышку у эвакуирующихся людей, а наличие 10-20 % концентрации при кратковременных экспозициях может вызвать смерть человека [52].
Циановодород (цианистый водород, синильная кислота, HCN) — бесцвет-ный газ с характерным запахом горького миндаля, плотность 0,688 г/см , хорошо растворим в воде и этиловом спирте. Один из сильнейших токсикантов, концентрации которого фиксируются при горении и термическом разложении шерсти, полиакрилонитрила, пенополиуретана, бумажно-слоистых пластиков, полиамидов и других азотсодержащих материалов. Проникая в организм человека через органы дыхания и незащищённые кожные покровы, вызывает нарушение тканевого дыхания, вследствие чего быстро наступает паралич нервных центров из-за чувствительности клеток центральной нервной системы к кислородному голоданию. Летальная концентрация СО для людей при 30-минутном воздействии составляет 0,4%, то для HCN 0,0135% [52, 53]. Усиленное потовыделение и высокая температура в помещении увеличивают всасывание циано-водорода через кожу.
Метод расчёта необходимого времени эвакуации из зальных помещений по ГОСТ 12.1.004
Современные методы прогнозирования опасных факторов пожара (ОФП), законодательно изложенные в [2], а также в [8], основываются на значениях тепло физических и физико-химических показателях пожарных нагрузок, представленных в приложениях [8, 92]. Определить критическую продолжительность пожара по отдельным факторам, можно лишь с достаточно большой погрешностью, т.к. методы допускают значительные упрощения реальной термогазодинамической обстановки сопровождающей пожар. Например, значения удельного выделения токсичного газа при горении (Li), коэффициент теплопотерь (ф), коэффициент полноты сгорания (п) и др. параметры, применяются при расчётах как постоянные величины, без учёта их изменения во времени и температуры пожара. К тому же, при работе с различными базами данных, содержащих экспериментальные сведения по выделению токсичных газов при сгорании пожарных нагрузок, в некоторых случаях необходимо и важно знать при каких контрольных параметрах пожара (температура в помещении, концентра ция кислорода и т.д.) значения выделения токсичного газа принимались как табличные величины. Такая полноценная информация о некотором токсичном газе позволит восстанавливать термогазодинамическую обстановку реального пожара при проведении расследования и экспертизы происшедшего пожара. В частности, при проведении судебно-медицинской экспертизы можно более точно устанавливать причину гибели человека от воздействия на него продуктов горения, путём сопоставления полученной смертельной дозы установленного токсичного газа с расчётными значениями параметров пожара (температура и концентрация кислорода), что может опровергнуть первоначальную вер-сию о причине гибели человека и мотивировать проведение экспертизы на бо-лее подробном и тщательном уровне. Данные исследования могут представлять значительный интерес при расследовании криминальных пожаров, а также для военных разработок по изучению влияния отравляющих веществ на организм человека.
Рассмотрим процесс образования СО при сгорании пожарной нагрузки зданий и сооружений. Как известно, СО выделяется при сгорании практически всех материалов (около 95 %) [23, 24, 30], при чём его концентрации, при определённых условиях, достигают смертельного уровня спустя небольшой промежуток времени и нередко доминируют над концентрациями других токсичных газов в количественном отношении.
Важно отметить, что реакции (2.80), (2.81) и (2.83) являются гетерогенными (состоящие из разных фаз: твёрдой и газообразной), а реакция (2.82) -гомогенной (реагенты находятся в одной фазе — газообразной). Гетерогенные реакции можно разделить на три основных этапа: 1. Подвод реагирующего вещества к поверхности углерода; 2. Химическая реакция на поверхности углерода; 3. Отвод продукта реакции от поверхности углерода за счёт конвекции.
Процесс протекания реакций характеризуется скоростью химической ре акции, которая зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры и присутствующих катализаторов. В данной системе углерод (С) будет выступать как катализатор - вещество полностью не расходующееся в результате протекания реакции, но влияющее на её скорость, т.е. реакция окис ления протекает на поверхности углерода и её продолжительность будет зави сеть от количества (площади поверхности) этого вещества, а скорость химиче ской реакции будет зависеть от концентраций реагирующих веществ, темпера туры и давления в помещении.
Представленные выше химические реакции являются обратимыми. Скорость прямой и обратной реакций изменяется во времени: в начале реакции исходных веществ, скорость прямой реакции достаточно высока. С течением времени концентрации исходных веществ уменьшаются, вследствие чего уменьшается скорость прямой реакции. Одновременно увеличиваются концентрации продуктов реакции, от чего реакция постепенно начинает протекать в обратном направлении, при чём её скорость начинается увеличиваться. Когда скорости прямой и обратной реакций станут одинаковыми, наступает химическое равновесие.
Оценка эффективности применения самоспасателей при пожарах в зданиях и сооружениях
Для определения динамики изменения концентраций токсичных компонентов и критической продолжительности пожара по отдельным опасным факторам пожара были проведены расчеты динамики опасных факторов пожара в основных зданиях и сооружениях с массовым пребыванием людей (торговые залы, атриумы, автостоянки и т.д.) различных существующих и проектируемых многофункциональных зданий с помощью нормативных и современных методов расчета, приведенных в главе 2 данной работы.
Краткие характеристики рассматриваемых объектов, геометрические размеры основных помещений и свойства, находящихся в помещениях горючих материалов представлены в табл. 4.1.
Вид и способ размещения материалов пожарной нагрузки носят случайный характер. Поэтому расчет необходимого времени эвакуации людей следует производить для максимальных значений показателей пожарной опасности.
Свойства типовой пожарной нагрузки определялись по типовой базе пожарной нагрузки [8, 121].
Принимаем, что системы пожаротушения, механической вентиляции и дымоудаления отключены (свободное развитие пожара в соответствии с [2]).
Начальные условия задавались следующими: температура в помещении Г0=293 К; давление в помещении (равно атмосферному)/7=101300 Па.
Величины опасных факторов пожара рассматривались на уровне рабочей зоны, отстоящей от пола на высоту 1,7 м, т.е. средний уровень органов дыхания человека.
Расчеты критической продолжительности пожара по отдельным факторам и необходимого времени эвакуации из зальных помещений проводились с помощью приведенных в главе 2.2 формул [2], из коридоров - по интегральной модели (глава 2.3). Применение этих методов расчета для определения необходимого времени эвакуации людей из помещений и коридоров этажей зданий разрешено нормативными документами [2].
При высоте помещений, большей максимальной высоты (равной 6 м [2], при которой допускается использовать интегральную модель и формулы ГОСТ 12.1.004-91 ), критическая продолжительность пожара по отдельным факторам и необходимое время эвакуации определялись по зонной (глава 2.4) и полевой (глава 2.1) моделям расчета динамики ОФП.
Критические времена по достижению величинами различных опасных факторов пожара их критических значений для людей на уровне рабочей зоны основных помещений многофункциональных зданий приведены в табл. 4.2. Прочерки означают, что эти опасные факторы за рассматриваемое время пожара не достигали критического значения. Расчеты показали, что критическим ОФП во всех помещениях зданий является потеря видимости.
Необходимые времена эвакуации людей из основных помещений многофункциональных зданий равны 80 % от величин критических продолжительности пожара (формула (2.16)) и представлены в табл. 4.3.
Динамика ОФП и характерные поля ОФП, в различные моменты времени от начала пожара для рассматриваемых зданий и сооружений представлены в прил. 2 данной работы. Соответствие номеров рисунков в приложении 2 объектам приведено в табл. 4.2.
Координаты х, у, z на рисунках в прил. 2 направлены вдоль длины, ширины и высоты помещений соответственно. Значения температур даны в градусах
Во всех рассмотренных в табл. 4.1-4.3 примерах развития пожара условие безопасной эвакуации людей выполнялось, т.е. расчетное время эвакуации, оп ределяемое в соответствии с [2], было меньше необходимого времени эвакуации (табл. 4.3).
Анализ результатов численных экспериментов (табл. 4.2 и 4.3, рисунки в прил. 2, табл. П2.1 в прил. 2) показывает, что в зданиях и сооружениях различного назначения с типовыми объёмно-планировочными решениями критическая для человека без индивидуальных средств защиты массовая концентрация монооксида углерода, равная 0,00116 кг/м , не наступила за рассматриваемое время от начала пожара при следующих видах горючих материалов: - здание I-II ст. огнестойкости (мебель + ткани); - бензин; - сценическая часть зрительного зала (древесина); - штабель древесины; - дерево + лаковое покрытие 0,95 древесина + 0,05 (ФЛ+РХО); - промышленные товары: при пожаре на первом этаже (пример двухсветного атриума, находящегося в центре трехэтажного торгового и культурно-развлекательного центра в г. Новосибирск (см. приложение 2, таблица П2.1)).
В то же время критическая продолжительность пожара по монооксиду углерода наступала позже критической продолжительности по температуре: - автомобиль: на 189,9 с (3,17 мин.); - упаковка: бумага +картон +поли (этилен+стирол) (0,4+0,3+0,15+0,15): на 39 с (0,65 мин.); - промышленные товары: при пожаре на третьем этаже на 27-28 с (0,45 мин.) на втором этаже и на 145-168 с (2,42-2,8 мин.) на третьем этаже (пример двухсветного атриума, находящегося в центре трехэтажного торгового и культурно-развлекательного центра в г. Новосибирск (см. прил. 2, табл. П2.1)).
Время защитного действия портативных фильтрующих самоспасателей от начала пожара до достижения температурой ее критического значения на высоте рабочей зоны (эффективность самоспасателей) составляла (табл. 5.2 и 5.3, рисунки в прил. 2, табл. П2.1 в прил. 2):
Рекомендации по использованию портативных фильтрующих само спасателей при эвакуации на пожарах
1. При прогнозировании ОФП в помещениях различного функционального назначения со сложной геометрией (криволинейные коридоры, атриумы т.д.), оснащённых различной пожарной нагрузкой, наиболее достоверные результаты, относительно динамики ОФП на реальном пожаре, можно получить, используя только полевую математическую модель пожара в помещении.
2. Прогнозирование опасных факторов пожара с использованием полевой математической модели, подтверждает, что при сгорании большинства видов комбинированных пожарных нагрузок, концентрации монооксида углерода достигают своего предельного значения (0,00116 кг/м ) спустя значительный промежуток времени, к которому другие ОФП уже достигли своих предельных значений. Данное исследование также подтверждает все ранее сделанные выводы: - опасность представляемая СО на пожаре преувеличена; - массовое производство портативных фильтрующих самоспасателей с повышенной защитой от монооксида углерода нецелесообразно (при проведении предварительного прогнозирования динамики ОФП для конкретных объёмно-планировочных решений и пожарной нагрузки зданий или сооружений), следовательно, самоспасатели различных производителей, не отвечающих требованиям [13] успешно могут использовать при эвакуации людей при пожарах в зданиях и сооружениях.
1. Выполненный анализ литературных источников с целью определения видов токсичных газов, выделяющихся при пожарах в зданиях и сооружениях, и обоснованности выбора их предельно-допустимых значений показал, что нормативные документы по пожарной безопасности не учитывают такие высо-котоксичные вещества как акролеин и синильная кислота. Информация по выделению и распространению монооксида углерода имеет существенное расхождение в различных литературных источниках.
2. Разработанная математическая модель и методика расчёта выделения и распространения токсичных газов при пожаре в зданиях и сооружениях, учитывающая их объёмно-планировочные решения и изменение термогазодинамических условий пожара, что позволяет более точно определять время критической продолжительности пожара по газообразным продуктам горения и необходимое время эвакуации людей. Полученные данные имеют достаточную для инженерных расчётов сходимость с теоретическими и экспериментальными данными, полученными другими специалистами в различных странах мира. Использование базы данных пожарных нагрузок и применения нормативных методов расчета может привести к неправильному определению (завышению) критической продолжительности пожара по ОФП (в частности, по концентрациям токсичных газов) на 20-75% (в зависимости от объёмно-планировочных решений зданий и сооружений) ПН, что на практике повышает риск гибели людей. Существующие нормативные методы расчета динамики ОФП (необходимого времени эвакуации людей) (ГОСТ 12.1.004-91 , ГОСТ Р 12.3.047-98) и база данных параметров пожарных нагрузок не учитывают реальные параметры возникновения, распространения и развития пожара, теплофизические и химические свойства конкретных горючих материалов и теплофизические свойства материала строительных конструкций и особенностей объёмно-планировочных решений зданий и сооружений.
3. Предложенные математическая модель и методика расчёта выделения токсичных газов при сгорании пожарной нагрузки зданий и сооружений позво ляет рассчитывать значения выделения токсичных газов при сгорании пожарной нагрузки неизвестного химического состава.
4. Предложенные математическая модель и методики определения времени эффективного использования портативного фильтрующего самоспасателя при пожаре в зданиях и сооружениях, отличающиеся друг от друга целями и задачами исследования, детализацией термогазодинамической картины пожара, позволяющие определять необходимость использования самоспасателя, его вид и марку в зависимости от обстановки на пожаре и объёмно-планировочных решений зданий и сооружений. Предложенная формула позволяет определять наличие опасности от токсичных газов в подмасочном пространстве самоспасателей различных производителей.
5. Разработаны математическая модель и методики определения времени эффективного использования портативного фильтрующего самоспасателя при пожаре в зданиях и сооружениях, отличающиеся друг от друга целями и задачами исследования, детализацией термогазодинамической картины пожара, позволяют определять необходимость использования самоспасателя, его вид, марку и характеристики в зависимости от обстановки на пожаре и объёмно-планировочных решений зданий и сооружений. Предложенная формула, позволяет определять наличие опасности от токсичных газов в подмасочном пространстве самоспасателей различных производителей.
6. Выполнен анализ отечественных и зарубежных статистических данных по составу и уровням концентраций продуктов горения на путях эвакуации при пожарах в объектах различного назначения, воздействию монооксида углерода на человека, а также результаты расчета динамики изменения концентраций продуктов горения (в первую очередь монооксида углерода) по современным полевой и зонным моделям и нормативному методу расчета (ГОСТ 12.1.004-91 ). Показана эффективность использования портативных фильтрующих самоспасателей при эвакуации людей на пожаре в зданиях и сооружениях, которая находится в интервале от 1,9 мин. до 15,83 мин.
