wymiana ciepła w pożarze
Transkrypt
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 .