V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Пожары в производственных зданиях представляют большую опасность для жизни и здоровья людей. Огонь уничтожает материальные ценности и выводит из строя промышленные объекты. Поэтому необходимо при проектировании руководствоваться не только условиями технологического процесса, но и учитывать возможность возгорания. Немаловажную роль при пожаре играют системы вентиляции. Так как очень часто на промышленных объектах для аэрации зданий используют аэрационные фонари, рассмотрим, как они могут повлиять на процесс горения.

Аэрационные фонари применяют в производственных зданиях с большими тепловыделениями и выделениями газов, дыма и пыли. Действие аэрации основывается на тепловом подпоре, возникающем вследствие разности температур внутреннего и наружного воздуха. Теплый внутренний воздух поднимается вверх и выходит через вытяжные отверстия (аэрационные фонари), а на смену ему через нижние (приточные) отверстия проникает в помещение холодный наружный воздух (рис. 1). В качестве приточных отверстий используют открывающиеся створки оконных переплетов или специальные каналы.

Рис.1 -Схема аэрации здания [4]

Аэрационные фонари должны быть снабжены механизмами для регулирования (открывания и закрывания) фрамуг. В настоящее время большое распространение получили так называемые незадуваемые фонари, не требующие регулировки и работающие независимо от направления ветра. Для создания тяги и предотвращения задувания фонарей устанавливаются ветроотбойные щиты, которые могут подвешиваться к консольной части конструкции фонаря или опираться непосредственно на покрытие здания. Для регулировки воздухообмена применяются поворотные створки в продольных фонарных панелях. При естественной вентиляции створки аэрационных фонарей открываются при помощи электропривода. Магнитный пускатель для закрывания и открывания створок включается с поста управления, установленного непосредственно в вентилируемом помещении.[1]

Согласно установленным законам распределения давлений внутри и снаружи помещения можно найти положение горизонтальной плоскости, на которой наружное давление равно давлению внутри помещения. Эту плоскость называют плоскостью равных давлений (далее ПРД). Положение этой плоскости определяется координатой, которую обозначают символом y_*.

Так как положение ПРД зависит от параметров состояния газовой среды внутри помещения. В процессе развития пожара параметры состояния среды внутри помещения изменяются. Следовательно, изменяется положение ПРД.

В зависимости от расположения проемов относительно ПРД возможны три разных режима «работы» этих проемов. Если проем целиком расположен выше ПРД, то через этот проем будут только выбрасываться газы из помещения. Этот режим называется режимом «выталкивания». Если проем целиком расположен ниже ПРД, то через этот проем будет только поступать воздух из окружающей среды. Этот режим называется режимом «всасывания» воздуха. Наконец, если ПРД проходит через проем, разделяя его на две части, то в этом случае через верхнюю часть проема выталкиваются газы из помещения, а через нижнюю часть всасывается свежий воздух. Этот режим называется «смешанным».

На всех уровнях, расположенных выше ПРД, внутреннее давление больше наружного. На всех уровнях, расположенных ниже ПРД, внутреннее давление меньше наружного [2].

Аэрационный фонарь всегда будет выполнять работу «выталкивания», так как в его конструкции предусмотрены ветроотбойные щиты для создания тяги и предотвращения задувания, а также аэрационные фонари расположены всегда выше зоны ПРД. А приточный проем будет выполнять работу в трех режимах, которые будут изменяться с течением времени.

Рассмотрим формулы для вычисления давления. Зона ПРД разделяет помещение на две части. На всех уровнях, расположенных выше ПРД, внутреннее давление больше наружного и вычисляется по формуле:

∆P=gρa-ρm(y-y*), (1)

где g – ускорение свободного падения, м/с²;

ρ_а – плотность атмосферного воздуха, кг/м³;

ρ_m – среднеобъемная плотность газовой среды внутри помещения, кг/м³;

у – координата, отсчитываемая от плоскости пола, м;

у_* - координата плоскости равных давлений, м.

На всех уровнях, расположенных ниже ПРД, внутреннее давление меньше наружного и вычисляется по формуле:

δP=- gρa-ρm(y*-y). (2)

Формулы для расчета газа, выбрасываемого через прямоугольный проем, расхода воздуха, поступающего через него, а также формула для определения координаты ПРД имеют следующий вид.[2]

Gв=23b2gρаρa-ρmy*-yн1,5+y*-yв1,5, (3)

Gг=23b2gρmρa-ρm[yв-y*1,5-yн-y*1,5], (4)

y*=h-Pm-Pagρa-ρm, (5)

где G_в – расход воздуха, поступающего через проемы, кг/с;

G_г – расход газа, выбрасываемого через проемы, кг/с;

h – половина высоты помещения, м;

P_m – среднеобъемное давление внутри помещения, Н/м²;

P_а – наружное давление в окружающей атмосфере на высоте, равной половине высоты помещения, Н/м²;

yв - координата верхнего края проема, м;

yн - координата нижнего края проема, м.

Определим расчетные формулы для вычисления газа, выбрасываемого через аэрационный фонарь, расхода воздуха, поступающего через прямоугольный проем, а также формулу для определения координаты ПРД для трех режимов работы прямоугольного проема.

Для режима «выталкивания»:

Gв=0, (6)

Gг=i=1i=zGгi , (7)

Gг(п)=23bп2gρmρa-ρm[yв-y*1,5-yн-y*1,5], (8)

Gг(а.ф)=23bа.ф2gρmρa-ρm[yв-y*1,5-yн-y*1,5], (9)

где G_г(п) - расход газа, выбрасываемого через проем, кг/с;

G_г(а.ф.) - расход газа, выбрасываемого через аэрационный фонарь, кг/с.

Учитывая расположение аэрационных фонарей, можно предположить, что выражения yв-y* ≈yн-y* из чего следует, что разница между ними будет незначительно мала и ею можно пренебречь.

Тогда получим следующую формулу для вычисления расхода газа, выбрасываемого через проем и аэрационный фонарь.

Gг=23bп2gρmρa-ρmyв-y*1,5-yн-y*1,5+23bа.ф2gρmρa-ρm, (10)

После некоторых преобразований:

Gг=2232gρmρa-ρm{bпyв-y*1,5-yн-y*1,5+bа.ф}, (11)

Для «смешанного режима»:

Gв(п)=23bп2gρаρa-ρmy*-yн1,5 (12)

Gг=23bп2gρmρa-ρmyв-y*1,5+23bа.ф2gρmρa-ρm (13)

Gг=2232gρmρa-ρmbпyв-y*1,5+bа.ф (14)

Для режима «всасывания»:

Gв(п)=23bп2gρаρa-ρmy*-yн1,5+y*-yв1,5 (15)

Gг(а.ф.)=23bа.ф2gρmρa-ρm (16)

Но так как при данном режиме ρa≈ρm, то (ρa-ρm)→0, следовательно, разность плотностей незначительно мала и ею можно пренебречь

Gв(п)=23bп2gρаy*-yн1,5+y*-yв1,5 (17)

Gг(а.ф.)=23bа.ф2gρm (18)

В начальной стадии пожара, возникающего в помещении, наблюдается специфический режим газообмена с окружающей средой. Особенности этого режима заключаются в том, что процесс газообмена идет в одном направлении через все имеющиеся проемы и щели. Поступление воздуха в помещение из окружающей среды в этот период развития пожара совсем отсутствует [2]. То есть все проемы находятся выше зоны ПРД и, следовательно, режим работы проема и аэрационного фонаря – «выталкивание».

Спустя некоторое время, когда средняя температура среды в помещении достигает определенного значения, процесс газообмена становится двухсторонним, то есть зона ПРД поднимается вверх и режим работы проемов перейдет к «смешанному» режиму. В этом случае через аэрационный фонарь будут выталкиваться продукты горения, а проем разделится зоной ПРД на две части, таким образом, через верхнюю часть проема будут выталкиваться продукты горения из помещения, а через нижнюю часть будет всасываться свежий воздух.

Рис. 2 - Схема помещения с аэрационным фонарем и приточными проемами, эпюра давлений [5].

Учитывая выше сказанное, сведем полученные данные в таблицу.

Таблица

Влияние газообмена на пожар

Режимы работы проемов	Распределение перепадов давления, Н/м2		Расход, кг/с		Влияние газообмена на пожар	Координата ПРД, м	Плотность, кг/м3
	Выше ПРД	Ниже ПРД	Gв	Gг
«Выталки-вание»	Pmy Вычисляется по формуле (5)		Плотность газовой среды внутри помещения меньше плотности атмосферного воздуха, т. е. ρm

Код для цитирования: Скопировать