wymiana ciepła w pożarze

WYMIANA CIEPŁA W POŻARZE
Wokół pojęcia „pożar” nawarstwiało się wiele nieporozumień. Trwają spory dotyczące
definicji tego zjawiska. Nawet ci, którzy wprowadzają definicje, często sami zdają sobie
sprawę z ich niedoskonałości. W praktyce okazuje się, że używając tych samych pojęć
autorzy wielu prac mają na myśli różne zjawiska. Istotą sporu o definicję pożaru (wśród
definicji opartych ma zjawiskach fizyko-chemicznych) stanowi następujące pytanie: czy za
pożar uważać tę część powierzchni (lub przestrzeni), która objęta jest strefą spalania, a więc
określoną głównie przez powierzchnię pożaru, czy też za pożar uważać całokształt zjawisk
towarzyszących temu spalaniu [Jerzy Wolanin. Podstawy rozwoju pożarów. Szkoła Główna
Służby Pożarniczej].
Sprowadzenie „pożaru” tylko do jego powierzchni powoduje to, że mówiąc o badaniach
dotyczących pożarów ma się na myśli badania warunków przy jakich pożar powiększa swoją
powierzchnię. Tymczasem z punktu widzenia ochrony przeciwpożarowej i działań
operacyjno-taktycznych, badania tego typu stanowią element, zresztą bardzo ważny,
wszystkich zjawisk towarzyszących pożarowi. Dlatego pożar traktowany jest jako całokształt
zjawisk towarzyszących procesowi spalania. Każde z tych zjawisk charakteryzuje się
mierzalną wielkością fizyczną. Zbiór tych wielkości, nazywamy parametrami pożaru.
Wielkości te ogólnie są funkcjami czasu i przestrzeni.
W przypadku usuwania dymu i ciepła, do najważniejszych parametrów zaliczyć należy:
temperatura pożaru, stężenie toksycznych produktów spalania i rozkładu, strumień
promieniowania cieplnego, intensywność wymiany gazowej, masowa szybkość spalania,
gęstość zadymienia, szybkość wydzielania się ciepła (moc pożaru).
Temperatura pożaru wewnętrznego Tp [K], (tp [oC]) - zgodnie ze standardami
europejskimi, jest to uśredniona po powierzchni rzutu sufitu temperatura w odległości około
5 cm poniżej sufitu.
Jednak do celów obliczeniowych często temperaturę pożaru wewnętrznego definiuje się
inaczej, a mianowicie, że jest to uśredniona po objętości temperatura gazów
w pomieszczeniu.
Temperatura pożaru zewnętrznego jest to uśredniona po objętości temperatura
płomienia.
Uśrednienie temperatur może odbywać się na wiele różnych sposobów. Za średnią
temperaturę można przyjąć średnią arytmetyczną wskazań wszystkich czujników
temperatury:
Tm = 1
N
N
∑T n
n =1
gdzie:
Tn - wskazywanie n-tego czujnika;
N - liczba czujników.
Przy tak zdefiniowanej temperaturze pożaru wymaga się, aby czujniki temperatury były
rozmieszczone równomiernie. Równomierność w tym przypadku oznacza, dokonanie
podziału całej objętości na równe objętości elementarne, w środkach których znajdują się
czujniki. Wówczas wskazanie czujnika odnosi się do całej elementarnej objętości. Niestety
tak zdefiniowana temperatura pożaru ma istotne wady. Jedną z nich jest to, że w warunkach
rzeczywistego pożaru określenie temperatur lokalnych dla równych elementarnych objętości
jest praktycznie niemożliwe.
Intensywność wymiany gazowej Ig [kg /m2 s] - jest to ilość powietrza dopływającego w
jednostce czasu do jednostkowej powierzchni pożaru. Należy wyróżnić niezbędną
intensywność wymiany gazowej Ign i faktyczną Igf.
Wielkość Ign definiuje się jako ilość powietrza, która powinna dopływać w jednostce
czasu na jednostkę powierzchni w celu zapewnienia pełnego spalania materiału palnego.
Faktyczna intensywność wymiany gazowej charakteryzuje rzeczywisty dopływ
powietrza do pożaru, a co za tym idzie stopień spalania, gęstość zadymienia, dynamikę
rozwoju pożaru. O intensywności wymiany gazowej mówi się z reguły przy pożarach
wewnętrznych. Dla pożarów zewnętrznych powietrze bezpośrednio dociera do strefy spalania,
a jego ilość biorąca udział w procesie spalania jest trudna do określona.
Gęstość zadymienia Z [g/m3] - charakteryzuje pogorszenie widoczności przy
zadymieniu. Zmniejszenie zadymienia należy do jednych z podstawowych problemów
w walce z pożarami.
Masowa szybkość spalania VM , Ψ [kg/s] - jest to masa substancji lub materiału,
wypalona w jednostce czasu.
Masowa szybkość spalania nie charakteryzuje materiału palnego. Wynika to z tego, że
zależy ona od powierzchni pożaru. Im większa powierzchnia pożaru przy danym materiale
palnym, tym większa masowa szybkość spalania. W związku z tym wprowadza się parametr
charakteryzujący ubytek masy materiału palnego przypadającego na 1 m2 pożaru. Parametr
ten nazywamy właściwą masową szybkością spalania, którą definiuje się jako masę substancji
lub materiału, wypaloną w jednostce czasu z jednostki powierzchni pożaru. Właściwą
masową szybkość spalania oznacza się następująco: VM’ i Ψ ‘, a jej jednostkami są [kg/m2s].
Należy zaznaczyć, że masową szybkość spalania lub właściwą masową szybkość
spalania można interpretować jako ilość kilogramów gazu powstałego w rezultacie rozkładu
termicznego w ciągu sekundy lub ilość kilogramów gazu powstałego w rezultacie rozkładu w
ciągu sekundy z jednostki powierzchni pożaru.
Niech M1 oznacza masę substanji, która ulega spalaniu w ciągu czasu τ1, zaś M2 masę
substancji, która uległa spaleniu w ciągu czasu τ2 , wówczas średnią masową szybkość
spalania (uśednioną po czasie ∆τ = τ2 − τ1 ) można zdefinować następująco:
V M = M 2 − M 1 = ∆M
∆τ
τ −τ
2
1
Masowa szybkość spalania w danej chwili τ , jest tym dokładniej określona, im mniejszą
wartość ma ∆τ.
Szybkość wydzielania się ciepła (moc pożaru) Qp [kJ/s] - charakteryzuje ilość ciepła
wydzielonego w strefie spalania w ciągu jednostki czasu. Ilość energii wydzielonej w
jednostce czasu z jednostki powierzchni Qp’ nazywa się gęstością mocy pożaru. Jednostką
gęstości mocy pożaru jest [J/m2s].
Niech Q1 oznacza ilość ciepła wyzwoloną w czasie pożaru w ciągu czasu τ1, zaś Q2
ilość ciepła wyzwoloną po upływie czasu τ2, wówczas średnią szybkość wydzielania się
ciepła można określić ze wzoru:
∆Q
Q −Q
Qp = 2 1 =
τ 2 −τ 1
∆τ
Moc pożaru w danej chwili τ, jest tym dokładniej określona, im mniejsza wartość
wyrażenia τ .