Основные информационные параметры пожара

Основные информационные параметры пожара

Любой пожар сопровождается изменением характеристик окружающей среды, обусловленных развитием горения и возникновением конвективного теплового потока над его очагом. К таким характеристикам можно отнести: повышенную температуру окружающей среды, дым и продукты горения, а также световое излучение пламени. Автоматические пожарные извещатели сконструированы таким образом, чтобы реагировать на изменение одного или нескольких параметров пожара. В зависимости от вида контролируемого параметра они разделяются на тепловые, дымовые, пламени (световые), газовые и комбинированные извещатели. Автоматические пожарные извещатели преобразуют неэлектрические информационные параметры пожара в электрические сигналы, которыми достаточно свободно можно оперировать при переработке информации приемно-контрольными приборами. В соответствии с ГОСТ 12.2.047 автоматический пожарный извещатель - это устройство для формирования сигнала о пожаре, которое реагирует на факторы, сопутствующие пожару.

Приведем основные положения, необходимые для понимания взаимодействия извещателей с конвективной струей очага горения. Графическая модель процесса представлена на рис. 1. Изменения избыточной температуры в месте установки пожарного извещателя над источником тепла можно определить из выражения

$$\large t_{RH} = 20,5 \frac{Q_п^{0,67}}{H^{1,67}} \exp \left\{ -37,3 \left( \frac{R}{H} \right)^2 \right\}, \tag{1}$$

где Qп - теплопроизводительность пожара, кДж/кг; Н - высота размещения теплового извещателя, м; R - расстояние от оси очага пожара до места установки извещателя, м.

Теплопроизводительность очага горения - величина, зависящая от ряда параметров:

$$\large Q_п = \eta F_п Q_н V_м, \tag{2}$$

где η - коэффициент химического недожога; Fп - площадь пожара ко времени τi, м2; Qн - конвективный тепловой поток, кВт; Vм - массовая скорость выгорания, кг/(с ·м2).

Информационные характеристики пожара

Рис. 1. Информационные характеристики пожара: Сд - концентрация дыма; TH,R - температура; Qп - теплопроизводительность очага пожара; Фп - поток излучения очага пожара

Получив количественную оценку теплопроизводительности очага пожара, можно определить изменение температуры в любой точке помещения, что является необходимым для оптимизации размещения тепловых пожарных извещателей.

Зона контроля пожарной сигнализации (пожарных извещателей) - совокупность площадей, объемов помещений объекта, появление в которых факторов пожара будет обнаружено пожарными извещателями.

Дымовой пожарный извещатель срабатывает при достижении концентрации дыма в месте его установки, равной пороговому значению для данного извещателя. Дым — это совокупность твердых и жидких частиц, взвешенных в воздухе или другой газообразной среде. Частички дыма в большинстве случаев очень малы (0,1 - 1,0 мкм). Под влиянием движения частицы в облаке дыма сталкиваются друг с другом и слипаются (коагулируют), а средний размер частиц при этом увеличивается. Видимый человеческим глазом дым - это частицы размером от 0,4 до 10 мкм и более. Концентрация дыма определяется массой частиц аэрозоля в измеряемом объеме и выражается в кг/м3; числом частиц, содержащихся в 1 см3 дыма, n/м3; а также оптическими характеристиками: оптической плотностью D и показателем ослабления светового потока a, проходящего в задымленной среде путь длиной L.

$$\large D = \lg (I_0/I);$$ $$\large a = 1/L \lg (I_0/I). \tag{3}$$

где I0, I - интенсивность измерительного светового потока в чистой и задымленной среде, соответственно.

Исследования показали, что характерный размер частиц дыма зависит от материала, подвергающегося горению, и условий температурного (термического) воздействия. Пик максимальной концентрации дыма достигается при горении древесины и целлюлозосодержащих материалов: для частиц размером 0,45-0,50 мкм, для синтетических рулонных материалов на основе ПВХ - 1,5 мкм, для резины - 4,0 мкм, для ПСБС - 6,0 мкм. Распространение дыма в объеме защищаемого помещения происходит под влиянием конвективных потоков от очага пожара. Существует несколько математических моделей, описывающих этот процесс.

Очевидно, что процесс увеличение концентрации дыма будет зависеть от линейной и массовой скорости выгорания материалов, их свойств, характеризующих способность к дымообразованию, и расстояния до очага горения. При этом нарастание общей массы дыма Рд при пожаре в помещении описывается дифференциальным уравнением первого порядка:

$$\large \frac{d P_д}{d t} = V_м K_д F_п - Q_у C_д, \tag{4}$$

где Кд - коэффициент дымообразования, кг/кг; Сд - концентрация дыма, кг/м3; Qу - количество удаляемого дыма, м3/с.

При круговом развитии очага пожара, характерном для большинства пожаров, изменение концентрации дыма в точке с координатами Н и R определяется из выражения

$$\large C_д (H,R) = \frac{0,33 V_м V_{л}^{2} K_д f t^3}{H R^2}, \tag{5}$$

где t - текущее время, с; H - высота расположения извещателя, м; R - расстояние от оси очага пожара до места установки извещателя, м; Vм - массовая скорость выгорания, кг/(м2·с); Кд - коэффициент дымообразования, кг/кг; Ул - линейная скорость горения, м/с; f - коэффициент неравномерности заполнения дымом объёма помещения.

Часто в технической литературе при указании характеристики дымовых извещателей, в особенности оптико-электронных, используется понятие оптической плотности дыма, на которую реагирует дымовой извещатель. Эта величина в разных литературных источниках называется удельной оптической плотностью или показателем ослабления светового потока а и имеет размерность 1/м. Взаимосвязь данного параметра и концентрации дыма, выраженной в мг/м3 , была определена экспериментально (рис. 2) и представлена в виде аналитического выражения:

$$\large a = -0,0056 + 0,7 \cdot 10^{-3} C_д + 0,45 \cdot 10^{-5} C_{д}^2, \tag{6}$$ Зависимость показателя ослабления светового потока от концентрации дыма

Рис. 2. Зависимость показателя ослабления светового потока от концентрации дыма: 1 - дым резины; 2 - дым ПВХ; 3 - дым древесины.

Параметр а позволяет оценить такой опасный фактор пожара, как, например, потеря видимости в задымленной среде Lвид. В первом приближении можно записать:

$$\large L_{вид} = \frac{1,698}{a}, \tag{7}$$

Как показали эксперименты, конечная измеряемая величина a и связанная с ней величина Lвид существенно зависят от длины волны источника светового излучения. Например, при одной и той же концентрации дыма Сд = 35 мг/м3, но для различного диапазона источника излучения (красный λ = 0,61; зеленый λ = 0,55; голубой λ = 0,45), показатель ослабления светового потока оказался равен 0,02; 0,038 и 0,123. Что соответствует ви¬димости в задымленной среде 77,3; 44; и 13,8 м.

Любой пожар сопровождается электромагнитным излучением в оптическом диапазоне. Оптический диапазон излучения в зависимости от длины волны подразделяется на ультрафиолетовый (0,01-0,38 мкм), видимый (0,38-0,78 мкм) и инфракрасный (0,78-340 мкм).

Спектр излучения пламени содержит разный по интенсивности и диапазону состав, на который влияет большое количество факторов. На практике пламя обнаруживается на излучающем фоне, создаваемом естественным и искусственным освещением (рис. 3). Фоновое излучение имеет свой спектральный состав и интенсивность.

Спектральные характеристики источников излучения

Рис. 3. Спектральные характеристики источников излучения: 1 - естественное излучение; 2 - излучение ламп накаливания; 3 - излучение ламп дневного света.

Естественное освещение определяется спектром излучения солнца, прошедшего через атмосферу. В закрытых помещениях свет проходит через стекло, которое не пропускает УФ-излучения короче 0,33 мкм. Искусственное освещение, за исключением специальных светильников УФ-излучения, не имеет в спектральном составе ультрафиолетовой составляющей. Лампы накаливания имеют сплошной спектр. Поток регистрируемого приемником излучения Фr определяется величиной потока излучения, прошедшего непосредственно от источника пожара и рассеянного частицами дыма:

$$\large Ф_{r} = Ф_{s} + Ф_{c} = Ф_{\tau} \left[ \frac{j^2 G_{\tau} G_{z}}{4 \pi L^2} \right] \exp (-p d L), \tag{8}$$

где L - расстояние между источником и приемником излучения; p - концентрация частиц; d - сечение поглощения частиц.

Чтобы создать оптимальную систему обнаружения пожара по оптическому излучению пламени, необходимо знать вид спектрального излучения и его интенсивность.