§ 9.2. Защита людей и технологического оборудования от теплового воздействия пожара

Разработка противопожарной защиты технологического оборудования и людей от теплового воздействия пожара имеет два аспекта: во-первых, характеристика источников теплового воздействия, взаимное расположение очага пожара и обогреваемого пожаром оборудования, виды теплопередачи, характеристика тепловых потоков от очага пожара. Второй аспект — изменение прочностных характеристик оборудования от воздействия пожара и изменение состояния среды внутри оборудования.

Источниками теплового воздействия на пожаре могут быть очаги горения газообразных, жидких и твердых материалов. Вопросы изменения характера горения при различных видах пожара изучаются в курсах «Физико-химические основы развития и тушения пожаров» и «Пожарная тактика». Чаще всего на пожаре происходит диффузионное горение, характер и скорость которого определяются процессами смешения горючего и окислителя.

В связи с большими и непрерывными турбулентными флуктуациями сильного пламени вопросы о геометрических (форма, размеры) и термических (температура, излучающая способность) характеристиках пламени оказываются довольно сложными. На основании экспериментов установлены осредненные характеристики.

Так, при исследовании диффузионного горения жидкостей в резервуарах, а также при розливах установлено, что высота факела (светящейся части) пламени / растет с увеличением диаметра резервуара d, а отношение этих величин (относительная высота пламени) при диаметре резервуара 1 м и более меняется мало и в сред­нем равно 1...2. В расчетах рекомендуется принимать относительную высоту факела пламени равной 1,5 для бензина и 1,0 для дизельного топлива и нефти. По данным ВИПТШ МВД СССР, расстояние, перекрываемое наклоненным пламенем при скорости ветра 5 м/с и более, составляет для указанных нефтепродуктов соответственно 0,7 и 0,5 диаметра резервуара. Вместо причудливой и пульсирующей реальной формы пламени в расчетах принимают идеализированную форму в виде конуса или цилиндра с зеркалом горящей жидкости в основании. Осредненные значения плотности поверхностного излучения пламени нефтепродуктов (максимальные значения соответствуют конусному, а минимальные — цилиндрическому пламени) составляют: бензина — 100...70 кВт/м²; нефти и дизельного топлива — 70...40 кВт'м².

Для приближенного определения высоты факела пламени жидкости при любых размерах поверхности горения может быть использована формула

Id^-1 = 40Fr^1,5, (9.1)

где Fr — число Фруда.

Fr = v²/gd, (9.2)

где v — скорость паров; g — ускорение силы тяжести.

На рис. 9.1 показана зависимость длины / горящего газового факела на выходе из отверстия в окружающую среду от числа Рейнольдса. После области перехода от ламинарного к турбулентному режиму горения длина пламени все более зависит только от диаметра отверстия. При истечении горящего газа с высокой скоростью форму пламени принимают в виде тонкого цилиндра. Начиная со скорости истечения, примерно равной 20% скорости звука, длина пламени становится постоянной и равной 118 диаметрам отверстия истечения, то есть

/=118d. (9.3)

Рис. 9.1. Зависимость длины горящего газового факела от числа Рейнольдса: / — ламинарный режим;

// — переходный режим; /// — турбулентный режим

При горении твердых материалов геометрические и термические характеристики пламени также определяются размерами площади горения, свойствами горючего материала и условиями газообмена.

Тепло от очага пожара к технологическому оборудованию передается теплопроводностью, конвекцией и излучением. В условиях пожара происходит сложный теплообмен, в котором участвуют два или три теплофизических процесса. Научные основы и методы расчета теплопередачи на пожаре изучаются в курсе «Термодинамика и теплопередача в пожарном деле».

Технологическое оборудование в условиях пожара может длительно сохранять устойчивость или разрушаться, создавать очаги факельного горения или взрываться, создавать угрозу увеличения масштабов пожара или сдерживать его развитие. Наступление той или иной опасной ситуации зависит от тепловых характеристик пожара, а также соотношения определенных характеристик конструктивных элементов обогреваемого пожаром аппарата и среды в нем.

Для обогреваемого пожаром аппарата возможны следующие опасные ситуации (рис. 9.2):

а) взрыв, если температура в аппарате равна или выше температуры самовоспламенения Т_Св, а внутри существует или образуется горючая среда;

б) факельноагорение на путях сообщения аппарата с атмосферой, если температура дыхательного устройства такая же или выше температуры самовоспламенения, а внутри аппарата среда невзрывоопасная, то есть концентрация горючих паров или газов выше верхнего концентрационного предела воспламенения;

в) потеря механической прочности корпуса или несущих конструкций аппарата. Она возникает вследствие снижения прочности материалов, из которых сделан аппарат, а также из-за чрезмерного повышения давления среды в аппарате;

г) взрывное развитие неуправляемой химической реакции, когда температура реакционной массы начинает превышать температуру безопасного протекания реакции.

Таким образом, основным опасным фактором пожара для конструкций и содержимого технологических аппаратов и трубопроводов является температура. Критическим значением температуры назовем такую температуру, при которой может наступить одна из рассмотренных выше опасных (критических) ситуаций.

Температура является определяющим фактором при расчете прочностных свойств аппаратов и конструкций.

Процесс нагрева аппарата в условиях пожара в общем случае является нестационарным, то есть изменяется во времени. Изменение температуры элементов конструкции аппарата определяется уравнением теплового баланса:

dq₁=dq₂+dq₃, (9.4)

где dq₁ — количество тепла, воспринимаемое элементом; dq₂ — количество тепла, затрачиваемое на нагрев элемента; dq₃ — количество тепла, отдаваемое элементом в окружающую среду.

Рис. 9.2. Ситуации для обогреваемого пожаром аппарата: / — безопасные; 2 — опасные

Подставив соответствующие значения величин в выражение (9.4), получим:

q_Bdτ = cρδdT +2α (Т—Т_о) dτ, (9.5)

где q_B — воспринимаемый элементом тепловой поток; с — теплоемкость материала;

ρ — плотность материала; δ — толщина стенки; а — коэффициент теплоотдачи;

Т — температура элемента конструкции; Т_о — начальная температура.

Из уравнения теплового баланса получим дифференциальное уравнение изменения температуры стенки во времени:

. (9.6)

Решение уравнения методом разделения переменных дает формулу для определения текущей температуры элемента конструкции аппарата или установленного на аппарате оборудования:

.(9.7)

Параметр сρδ/α представляет собой постоянную времени, которая характеризует степень реакции тела на изменение температуры.

При τ→∞ из (9.7) получается формула для расчета максимальной температуры нагрева элемента:

. (9.8)

Из уравнения (9.7) получается также формула для определения времени нагрева элемента до заданной температуры Т:

. (9.9)

Коэффициент теплоотдачи а находят методом последовательных приближений с использованием формулы

α =9,76+0,0697 (Т—Т_о). (9.10)

Коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкой фазе во много раз превышает величину коэффициента теплоотдачи к паровоздушной среде. Поэтому участки стенки, омываемые жидкостью, даже в условиях пожара в большинстве случаев не достигают опасных температур.

В обогреваемом теплом пожара аппарате или трубопроводе происходит прогрев содержащихся в нем жидкостей или газов, что также следует учитывать при оценке пожарной опасности. В отличие от случая определения максимальной температуры элемента конструкции при расчете температуры среды в аппарате необходимо учитывать суммарный тепловой поток к аппарату. Поэтому одно из главных направлений защиты аппаратов — увеличение расстояния между ними и возможными очагами пожара, что приводит к уменьшению плотности падающего теплового потока. Согласно теории противопожарных разрывов, разработанной М. Я- Ройтманом [4], распространение пожара между смежными объектами возможно в том случае, если есть условие

q_n>q_мин, (9.11)

где q_п— падающий тепловой поток; q_мин — минимальная пожароопасная интенсивность облучения.

Под минимальной пожароопасной интенсивностью облучения (применительно к технологическому оборудованию) следует понимать такую интенсивность, при которой при заданном времени оборудование нагревается до пожароопасной температуры. В таком случае задача расчета защиты заключается в определении допустимой температуры и расстояния, при которых падающий тепловой поток от факела пламени не способен нагреть элементы конструкций выше допустимой температуры. Допустимое время прогрева выбирают в зависимости от времени введения в действие активной защиты, например орошения. Методы определения противопожарных разрывов изучаются в курсе «Пожарная профилактика в строительстве».

Современные тенденции развития народного хозяйства не позволяют увеличивать расстояния между установками и аппаратами. Компенсирующими мероприятиями в таком случае выступает использование тепловой изоляции или устройство систем водяного охлаждения.