Смагин Александр Владимирович Моделирование выделения и распространения токсичных газов при пожарах в зданиях и сооружениях для обоснования их объемно-планировочных решений с целью обеспечения безопасной эвакуации людей

Подождите немного. Документ загружается.

На правах рукописи

СМАГИН АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ

И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ

ПРИ ПОЖАРАХ В ЗДАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ

ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ИХ ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ

РЕШЕНИЙ С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

БЕЗОПАСНОЙ ЭВАКУАЦИИ ЛЮДЕЙ

Специальность 05.26.03. Пожарная и промышленная безопасность

(Технические науки, отрасль Строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

МОСКВА

2008

Диссертационная работа выполнена на кафедре инженерной теплофизики и

гидравлики Академии Государственной противопожарной службы МЧС России.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Пузач С.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Баратов А.Н.

кандидат технических наук, доцент

Бубнов В.М.

Ведущая организация – Московский Государственный строительный университет

Защита состоится «28» мая 2008 г. в 14

часов на заседании диссертаци-

онного совета Д 205.002.02 в Академии Государственной противопожарной служ-

бы МЧС России по адресу: 129 366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, д. 4, зал

заседаний Учёного Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС Рос-

сии.

Автореферат разослан «15» апреля 2008 г., исх. № 6/21 от 15.04.2008 г.

Отзыв на автореферат

с заверенной подписью и печатью просим направ-

лять в Академию ГПС МЧС России по указанному адресу.

Телефон для справок (495) 617 - 26 - 39

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В.М. Есин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В связи с переходом многих стран мира к

гибкому объектно-ориентированному противопожарному нормированию в строи-

тельстве математическое моделирование пожаров становится определяющим звеном

при решении различных задач пожарной безопасности. Федеральное законодатель-

ство, в частности, Федеральный закон «О техническом регулировании» и стандарт

пожарной безопасности ГОСТ 12.1.004-91* ССБТ

«Пожарная безопасность. Общие

требования», обеспечивают законодательную базу реализации на практике принци-

па гибкого нормирования.

Объёмно-планировочные решения зданий и сооружений должны обеспечи-

вать безопасную эвакуацию людей при пожаре. При анализе пожарной опасности в

соответствии с нормативными документами (СНиП 21-01-97* «Пожарная безопас-

ность зданий и сооружений» и др.) могут использоваться расчетные сценарии,

осно-

ванные на математическом моделировании динамики опасных факторов пожара

(ОФП), позволяющие определить риск для людей и выбрать наиболее эффективные

системы противопожарной защиты.

Методики прогнозирования ОФП, обусловлены упрощением реальной термо-

газодинамической картины пожара, что в значительной степени влияет на досто-

верность получаемых результатов. Методы расчёта критической продолжительно-

сти пожара по газообразным

продуктам горения учитывают вредное воздействие

только трёх токсичных газов (СО, СО

, НСl), выделяющихся при пожаре, хотя экс-

периментально установлено, что, например, при сгорании древесины может образо-

вываться до 220 химических элементов и соединений.

Для определения необходимого времени эвакуации людей необходимо уметь

определять динамику изменения концентраций продуктов горения на путях эвакуа-

ции 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.

Математическое моделирование выделения и распространения токсичных га-

зов 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 «Техника пожарная. Самоспасатели

фильтрующие для защиты органов дыхания и зрения людей при эвакуации из по-

мещений во время пожара» и являются достаточно «жесткими». Так, например,

должна быть обеспечена защита при парциальной плотности монооксида углерода в

воздухе равной 0,0062±0,0003 кг/м

, что существенно превышает предельно допус-

тимое значение (ПДЗ) для безопасной эвакуации людей, равное 0,0016 кг/м

Однако, в большинстве литературных источников экспериментальные и тео-

ретические результаты показывают, что массовые концентрации окиси углерода не

достигают ПДЗ за все время эвакуации или достигают после достижения температу-

рой её критической величины в помещении.

Поэтому использование портативных фильтрующих самоспасателей, не удов-

летворяющих по защите от окиси углерода НПБ 302-2001, может быть

эффектив-

ным для спасения жизни и здоровья людей на пожарах.

В данной работе на основе предложенных физико-математических методов

моделирования выделения и распространения токсичных газов, проведено теорети-

ческое исследование очерёдности достижения ОФП их ПДЗ и эффективности ис-

пользования портативных фильтрующих самоспасателей в помещениях различного

функционального назначения с учётом особенностей объёмно-планировочных

ре-

шений, и образования ранее не рассматривающихся токсичных газов (акролеин и

циановодород), которые во многих случаях представляют бо´льшую угрозу для лю-

дей 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 обоснова-

ния и разработки объемно-планировочных решений и выполнения расчётов по оп-

ределению критической продолжительности пожара по ОФП и необходимого вре-

мени эвакуации людей из помещений, а также эффективности использования порта-

тивных фильтрующих самоспасателей.

Цель и

задачи работы. Целью диссертационной работы является разработ-

ка 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 ме-

тоды, рассчитать критические продолжительности пожара по отдельным ОФП, и

необходимое время эвакуации людей,

и выдать рекомендации по эффективному ис-

пользованию портативных фильтрующих самоспасателей. Для достижения постав-

ленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести анализ отечественных и зарубежных статистических данных по со-

ставу и уровням концентраций продуктов горения на путях эвакуации при пожарах

в зданиях и сооружениях различного назначения;

• выполнить анализ данных из различных литературных источников по воздей-

ствию монооксида углерода и других токсичных газов на организм человека для

выбора и обоснования ПДЗ

ОФП;

• разработать математическую модель и методику расчёта выделения и распро-

странения токсичных газов при горении веществ и материалов, (на примере моноок-

сида углерода) с учётом изменения объёмно-планировочных решений зданий, а

также температуры пожара, концентрации кислорода в зоне горения и коэффициен-

та теплопотерь,

• выполнить тестирование предложенного метода расчёта на

эксперименталь-

ных данных;

• произвести численный эксперимент и выполнить анализ динамики выделения

продуктов горения (в первую очередь монооксида углерода) на путях эвакуации при

пожарах в типовых зданиях и сооружениях различного назначения и объёмно-

планировочных решений по современным полевой и зонным моделям, а также с ис-

пользованием нормативных методов расчета (ГОСТ 12.1.004-91*) в

течение времени

эвакуации;

• разработать научно-обоснованные рекомендации по использованию порта-

тивных фильтрующих самоспасателей (в том числе без дополнительной защиты от

монооксида углерода) для спасения жизни и здоровья людей при эвакуации на по-

жарах с учётом объёмно-планировочных решений зданий и сооружений.

Научная новизна:

- впервые произведён расчёт критической продолжительности пожара по та-

ким токсичным газам, как акролеин и циановодород, что меняет существующие

представления об очерёдности достижения токсичными газами критических значе-

ний и динамике ОФП в зданиях и сооружениях;

- разработана математическая модель и методика расчёта выделения токсич-

ного газа, на примере монооксида углерода, при

горении веществ и материалов,

учитывающая изменения температуры пожара, концентрации кислорода в зоне го-

рения и коэффициента теплопотерь, позволяющая более точно рассчитывать крити-

ческие продолжительности пожара по отдельным ОФП и необходимое время эва-

куации людей в зависимости от термогазодинамической картины пожара и объёмно-

планировочных решений зданий и сооружений;

- разработана математическая модель и методика оценки эффективности пор-

тативных 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;

- 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 исполь-

зованию фильтрующих самоспасателей при пожарах в зданиях и сооружениях раз-

личного функционального назначения.

Достоверность

Полученные данные по динамике ОФП рассчитаны с использованием апроби-

рованных физико-математических методов анализа, а также численного решения

дифференциальных уравнений в частных производных. Предложенные математиче-

ские модели имеют достаточно точное для инженерных методов расчётов совпаде-

ние 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 соору-

жениях. Предложенные методики расчёта выделения и распространения моноксида

углерода, акролеина, циановодорода, хлороводорода и др. токсичных продуктов го-

рения, 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 также оценивать эффективность использования пор-

тативных фильтрующих самоспасателей при эвакуации людей на пожарах.

Апробация работы:

Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсу-

ждались на ХV и ХVI международной школе – семинаре молодых учёных, аспиран-

тов и студентов «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установ-

ках» под руководством академика А.И. Леонтьева (Калуга, 2005; Санкт-Петербург,

2007), на международной школе – конференции молодых учёных, аспирантов и сту-

дентов «Авиационная и

ракетно-космическая техника с использованием новых тех-

нических решений» (Рыбинск, 2006), на ХIII и XIV научно-технических конферен-

циях «Системы безопасности» - СБ-2004, 2005 (М., 2004, 2005), на объединенном

заседании кафедр инженерной теплофизики и гидравлики, пожарной безопасности в

строительстве, процессов горения, пожарно-строевой и газодымозащитной подго-

товки, физики, пожарной тактики и службы, пожарной техники Академии ГПС

МЧС России (М., 2008).

Внедрение:

- новые данные по образованию и распространению токсичных ОФП исполь-

зовались при разработке «Противопожарных мероприятий жилого комплекса с под-

земными автостоянками по адресу: г. Москва, ул. Генерала Глаголева, вл. 26».

- разработанная математическая модель и методика определения времени эф-

фективного использования фильтрующего самоспасателя на пожаре были исполь-

зованы в отчёте «Проведение исследований

по разработке средства защиты органов

дыхания, предназначенного к массовому использованию для защиты населения при

угрозах и проявлениях террористических актов на объектах метрополитена», а так-

же используются при выполнении научно-исследовательских и конструкторских ра-

бот в научно-внедренческом центре ООО «Эпицентр-маркет»-производителя

фильтрующих самоспасателей «Феникс»;

- предложенная математическая модель используются при

проведении лекци-

онных и практических занятий со слушателями и курсантами Академии ГПС МЧС

России 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 наиме-

нований

и трёх приложений из 102 страниц.

На защиту выносятся:

• данные о концентрациях токсичных газов выделяющихся при горении ве-

ществ 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 кислоро-

да, и коэффициента теплопотерь;

• методики оценки эффективности использования портативных фильтрующих

самоспасателей на пожаре для безопасной эвакуации людей с учётом объёмно-

планировочных решений зданий и сооружений;

• результаты расчётов по определению критических продолжительностей пожа-

ра по отдельным ОФП (включая впервые рассматриваемые токсичные газы акроле-

ин и циановодород) при горении всех 67 комбинированных пожарных нагрузок и

горючих веществ, включённых в нормативную базу пожарных нагрузок, для типо-

вых объёмно-планировочных решений зданий и сооружений на основе интеграль-

ной 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 мо-

делей пожара в помещении.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность проблемы исследования динамики

опасных факторов пожара в зданиях с различными объёмно-планировочными реше-

ниями и различного функционального назначения с целью обеспечения безопасной

эвакуации людей, сформулированы цель и основные задачи диссертационной рабо-

ты, изложены научная новизна и практическая значимость полученных результатов,

приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ литературных источников, содержащих ин-

формацию о выделении токсичных газов при сгорании веществ и материалов, из

научных работ Ю.А. Кошмарова, Л.К. Исаевой, А.В. Матюшина, П.П. Щеглова, В.

Веселы, В.С. Иличкина, И.С. Молчадского и др. специалистов России и США. Рас-

смотрено влияние

выделяющихся токсичных газов при пожаре на организм челове-

ка, приведены уровни концентраций, при которых у людей проявляются различные

симптомы отравления.

В начальной стадии пожара наибольшую опасность для человека представля-

ют отделочные материалы и предметы внутреннего оснащения помещений, в основ-

ном изготовленные из древесины и полимерных материалов, которые обладают дос-

таточно

низкой температурой термического разложения, низкой температурой вос-

пламенения и плавления, высокой скоростью распространения пламени, токсично-

стью и дымообразующей способностью.

В табл. 1 представлена часть результатов анализа состава продуктов горения

пожарной нагрузки (ПН) помещений с пересчетом в массовые концентрации.

Таблица 1.

Состав продуктов горения пожарной нагрузки помещений

Удельное выделение, кг/кг

№

Наименование

горючего

материала

Двуокись

углерода,

CO2

Оксид уг-

лерода,

Дым,

Синильная

кислота,

HCN

Соляная

кислота,

HCl

Оксиды

азота,

NOx

Акролеин,

АКР

1 Древесина 1-1,75 10

-4

-0,25

9· 10

-3

3,4·10

-2

--- ---

-3

3·10

-3

4·10

-3

4,86·10

-3

Древесина с

огнезащитн.

добавками

--- 1,32·10

-4

1,12·10

-4

3·10

-5

---

--- ---

Древесина,

обработанная

аммонийны-

ми солями

--- --- ---

3·10

-3

2,7·10

-2

---

3,5·10

1,2·10

-3

---

Пшеница,

ячмень, овес,

кукуруза

0,5-0,7 0,2-0,26

0,13-

0,16

--- ---

---

2,8·10

-3

6,4·10

-3

Линолеум,

изоляция

проводов

--- --- ---

3,2·10

-4

3,96·10

-4

--- --- ---

--- - нет данных по выделению токсичного газа.

Доминирующими, в количественном отношении, токсичными газами являют-

ся монооксид углерода (СО), хлороводород (HCl), циановодород (HCN), акролеин

(СН

=СН-СНО), фтороводород (HF), аммиак (NH

), оксид углерода (СО

) и др.

Спектр токсичных газов, выделившихся при сгорании, например древесины может

исчисляться сотнями наименований.

Анализ исследований по выделению токсичных газов на реальных пожарах

(г. Бостоне (CША), Департамент научных исследований окружающей среды и здо-

ровья), показал, что, в отличие от общепринятых представлений оксид углерода

(СО

) не наносит существенного вреда эвакуирующимся людям, но присутствует во

всех замерах; (СН

=СН-СНО) – концентрации этого высокотоксичного газа (акро-

леина) в 50 % случаев находились в интервале между действующей опасной кон-

центрацией для жизни и здоровья людей и краткосрочной предельно-допустимой

концентрацией (по стандартам США); концентрации монооксида углерода (СО) в 17

% случаев находились в интервале между действующей опасной концентрации для

жизни и здоровья людей и

кратковременной смертельной концентрацией.

Необходимо учитывать, что токсичные газы оказывают комплексное воздей-

ствие на организм человека одновременно при повышающейся температуре в по-

мещении и снижающейся концентрации кислорода, что, современные методики

прогнозирования ОФП не учитывают.

Учитывая сложную токсикологическую обстановку на пожарах в современ-

ных зданиях и сооружениях при спасении людей нашли широкое применение сред-

ства индивидуальной защиты (самоспасатели) фильтрующего типа, т. к. они наибо-

лее удобны, малобюджетны и просты в применении.

Самоспасатель фильтрующий – средство индивидуальной защиты органов

дыхания, глаз и головы человека от дыма и

токсичных газов, образующихся при

пожаре.

Проведён анализ технических характеристик самоспасателей различных про-

изводителей и установлено, что практически все самоспасатели, продающиеся на

российском рынке, соответствуют требованиям норм (за исключением параметров

защиты от СО у некоторых самоспасателей).

Однако отсутствует информация об изменении времени защитного действия

самоспасателя при изменении температуры, концентрации токсичных газов и

со-

держания кислорода в помещении, а также о поведении фильтрующего элемента

самоспасателя при комбинированном воздействии токсичных газов.

В выводах по первой главе отмечено, что:

- при горении веществ и материалов концентраций, опасных для жизни и здо-

ровья человека, спустя незначительные промежутки времени от начала пожара, мо-

гут достигать токсичные газы: монооксид

углерода, хлороводород, циановодород,

акролеин, аммиак, фтороводород, альдегиды, а в нормах пожарной безопасности

учтены только СО, СО

и НСl;

- отсутствуют методики расчёта удельного коэффициента (L

) выделения ток-

сичных газов в зависимости от термогазодинамических условий пожара: в норма-

тивных документах принимается L

= const для каждой пожарной нагрузки;

- для определения критической продолжительности пожара по отдельным

ОФП, необходимого времени эвакуации людей и эффективности использования

портативных фильтрующих самоспасателей при пожаре необходимо производить

прогнозирование ОФП с учётом выделения токсичных газов (в том числе и не уч-

тённых в нормах пожарной безопасности) для конкретных объёмно-планировочных

решений объекта

;

- комплексная методика исследования эффективности фильтрующих самоспа-

сателей, учитывающая термогазодинамические особенности пожара, а также конст-

руктивные и функциональные особенности самоспасателей, в настоящее время от-

сутствует.

Во второй главе

рассмотрены особенности математического моделирования

тепломассообмена при пожаре в помещении и динамики ОФП. Проведён анализ