VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Пожар – это неконтролируемый процесс горения, который сопровождается уничтожением материальных ценностей и создающий опасность для жизни людей. Защита людей является приоритетной задачей любых противопожарных мероприятий.

Основной причиной гибели людей при пожаре является отравление газообразными продуктами горения. Современные строительные и отделочные материалы при нагревании и горении выделяют отравляющие вещества. Поэтому в современных условиях возникла необходимость определения состава и свойств продуктов горения и термического разложения при прогнозировании динамики опасных факторов пожара, что немыслимо без определения расчетных значений плотности газообразных продуктов горения.

На сегодняшний день существует множество расчетных формул для определения среднеобъемной плотности газовой среды при пожаре в помещении.

Например, Кошмаровым Ю. А. [1] предложена формула, полученная из уравнения Клапейрона-Менделеева с использованием объединенного газового закона Бойля-Мариотта и Гей-Люссака следующим образом:

Рассмотрено помещение с малой проемностью, позволяющей предположить отсутствие поступления воздуха из окружающей среды. Кроме того, в силу негерметичности помещения давление среды в помещении принималось постоянным, равным давлению окружающей среды. В таком случае уравнение состояния:

pm=ρm∙Rm∙Tm (1)

Где pm - среднеобъемное давление в помещении, кПа;

ρm,Rm,Tm - соответственно газовая постоянная, среднеобъемные плотность и температура среды в момент времени τ.

Так как из вышесказанного следует, что pm=const, а именно pm=p0, (p0 - давление окружающей среды), то из уравнения состояния (1) получим

ρm∙Tm=ρ0∙T0 (2)

, (3)

Где ��_m и Т_m – соответственно среднеобъемные плотность и температура газовой среды в помещении, кг/м³ и К;

��₀ и Т₀ - соответственно начальные значения среднеобъемных плотности и температуры газовой среды в помещении, кг/м³ и К.

Согласно [2] плотность продуктов горения определяется по формуле:

, (4)

Где Tд- температура дыма, К.

Формулы (3) и (4) аналогичны, в случае если начальные значения давления и температуры равны значениям соответствующих параметров при нормальных условиях. Это следует из того, что при нормальных условиях ��₀Т₀=353,065.

Как следствие из закона Авогадро вытекает формула для определения плотности одного моля вещества, которая имеет вид:

, (5)

Где M – молярная масса вещества, г/моль;

V₀ - молекулярный объем, равный 22,4 л/моль.

Следовательно, плотность газообразных продуктов горения представляет собой сумму плотностей каждого вещества, входящего в состав продуктов горения с учетом процентного соотношения:

, (6)

Где M_i – молярная масса i-того газообразного компонента продуктов горения;

%_i – процентное содержание i-того компонента в газообразных продуктах горения.

Чтобы оценить применимость предложенных формул необходимо проанализировать процесс газообмена в помещении при пожаре. При нагреве около пламени воздух расширяется, за счет чего происходит уменьшение его плотности. Как известно, среда, имеющая меньшую плотность, начинает подниматься вверх по закону Архимеда, если попадает в объем среды с большей плотностью. При подъеме происходит перемешивание нагретого воздуха с окружающим. Таким образом, теплый воздух, поднимаясь вдоль пламени, участвует в попутно протекающих реакциях горения. Из этого следует, что воздух обогащается продуктами горения, молекулярные массы которых, как правило, выше, чем среднее значение молярных масс веществ, составляющих воздух. Поэтому, хотя продукты, будучи разогретыми, и поднимаются, плотность воздуха, загрязненного ими значительно выше, чем у чистого при той же температуре.

Таким образом, чтобы определить среднеобъемное значение плотности газовой среды при пожаре в помещении воспользуемся следующей формулой:

, (7)

Формула (1) представляет собой зависимость изменения плотности воздуха от температуры. Поэтому целесообразно использовать ее для определения плотности избыточного воздуха, который перейдет в продукты горения:

, (8)

Чтобы определить плотность продуктов горения воспользуемся формулой (6).

В ходе исследования был проведен эксперимент по определению динамики значений плотности газовой среды в помещении в условиях пожара. Эксперимент заключался в отборе проб газообразных продуктов горения при сгорании древесины. Были проведены измерения динамики массы отобранных проб газа. Далее на основании полученных данных вычислялись значения среднеобъемной плотности газообразных продуктов горения. Данные полученные при расчетах по формулам (3), (6), (7), и данные полученные при экспериментальных исследованиях горения древесины изображены графически на рисунке 1.

Рис. 1. Зависимость динамики плотности газовой среды в помещении от температуры и состава продуктов горения при горении древесины.

Вывод

Сходимость данных, полученных расчетным методом, предложенным в данной работе, и результатов экспериментального исследования горения древесины в камере сгорания, позволяет сделать вывод о том, что при определении среднеобъемной плотности газовой среды в помещении при пожаре необходимо учитывать не только влияние температуры, но и химический состав продуктов горения, а также процентное соотношение компонентов газовой среды. Метод определения среднеобъемной плотности газовой среды в помещении, основанный на закономерностях химических процессов, протекающих при горении, позволяет получить значения близкие к экспериментальным данным в начальной стадии пожара.

Библиографический список

1. Кошмаров, Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. - М.: Академия ГПС МВД России; 2000. 118с.

2. ГОСТ Р54081 «Воздействие природных внешних условий на технические изделия. Общая характеристика. Пожар». – М.: Стандартинформ; 2011. 32 с.

3. Скляров К.А., Грошев М.Д., Сотникова К.Н. Моделирование полей концентраций дымовых газов в сообщающихся помещениях. Научный вестник Воронежского ГАСУ. Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения», 2012, №5, с. 119-123.

4. Облиенко А.В., Потапова С.О., Сушко Е.А., Экспериментальные исследования закономерностей распространения пожаровзрывоопасных веществ в промышленных помещениях. Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2010, №3, с. 154-163

Код для цитирования: Скопировать