Bezpečnostní inženýrství - Požáry a exploze-

Bezpečnostní inženýrství - Požáry a exploze-

M. Jahoda

Požáry Rozdělení Podle oblasti • uzavřené prostory • otevřené prostory Podle formy hoření • homogenní (páry, plyny) • heterogenní hoření (pevné látky)

Fáze požáru

2

Formy hoření

3

Homogenní hoření teplo

hořlavý plyn vzduch smísení

kapalina hořlavé páry

hořlavá směs

vzduch

smísení

iniciace

požár

hořlavá směs iniciace požár

Heterogenní hoření teplo

tuhá látka

uhlíkatý zbytek

teplo vzduch

tlení žhnutí

bezplamenné hoření

degradovaný materiál

hořlavé páry vzduch

smísení hořlavá iniciace požár směs

Požáry: uzavřené prostory Žíhavé plameny = rollover (flameover) • V počáteční fázi požáru vzrůstá teplota v místnosti, teplota plamene je asi 500 °C. • Větší množství zahřátých hořlavých plynů se hromadí u stropu místnosti a mísí se se vzdušným kyslíkem. • Jestliže koncentrace hořlavých plynů dosáhne mezi hořlavosti, dojde ke vznícení a rychlému rozšíření požáru. • Plameny se šíří velkou rychlostí pod stropem, dokud nevyhoří hořlavé plyny, nebo neklesne koncentrace kyslíku.

4

Požáry: uzavřené prostory Celkové vzplanutí plynů v celém prostoru = flashover • Celkové náhlé vzplanutí hořlavých materiálů (rychlý přechod fáze rozhořívání do plně rozvinutého požáru) najednou. • Dostatečné množství kyslíku, vznikají velké plameny, které způsobují turbulentní proudění horkých plynů v místnosti. • Teplota v celém prostoru se přiblíží hodnotám samovznícení materiálů v místnosti (teploty cca 400-700°C pod stropem). • Od okamžiku celkového vzplanutí je požár řízen ventilací, neboť vlivem intenzivního hoření dochází k poklesu koncentrace kyslíku.

5

Požáry: uzavřené prostory Explozivní hoření = backdraft • Vznikne při náhlém přísunu kyslíku do uzavřené místnosti, která obsahuje horké hořlavé plyny, ale již zde není plamenné hoření.

• Teplota v celém prostoru se přiblíží hodnotám samovznícení materiálů v místnosti (teploty cca 500 °C pod stropem).

6

Požáry: uzavřené/otevřené prostory Pool Fire • hoření par kapaliny, která je ohraničena pevnými stěnami (zásobníky)

7

Požáry: uzavřené/otevřené prostory

8

Spill Fire • hoření par kapaliny, která není ohraničena pevnými stěnami (kaluže)

BP oil spill, 2010


9


BP oil spill, 2010


10


BP oil spill, 2010

Požáry: uzavřené/otevřené prostory Fire Ball • výsledek rychlého úniku a iniciace hořlavých plynů pod tlakem (např. zemní plyn)

11

Tepelné charakteristiky

12

Rychlost uvolňování tepla (Heat Release Rate), Rate) W/m2

• • • •

představuje energii uvolňovanou hořlavým materiálem za jednotku času je základním parametrem pro určení intenzity hoření je časově závislá není jednoduchou materiálovou vlastností (experimentální zjištění)  kónický kalorimetr (pevné látky)  radiometr  úbytek materiálu

𝑄𝑚𝑎𝑥

𝑄𝑝𝑟ů𝑚ě𝑟

Fáze rozvoje

Ustálená fáze

Fáze dohořívání


13

Stanovení rychlosti uvolňování tepla (pevné látky) Experimentálně: kónický kalorimetr (zkušební metoda podle ISO/CD 5660-1)  stanovení rychlosti uvolňování tepla z materiálů na základě sledování spotřeby kyslíku a měření koncentrací oxidu uhličitého a uhelnatého

V kónickém kalorimetru je horizontálně umístěn kónický zářič, kdy intenzita toku sálavého tepla je regulována do 50 kW/m2 s přesností ± 2 %. Vzorky se vkládají do speciálního držáku, který je umístěn pod zářičem na vahách. Plynné zplodiny hoření se vzorkují spaliny sazový filtr a vymrazovač vodní vlhkosti do analyzátorů ke stanovení obsahu O2, CO a CO2. Dále se měří teplota spalin a tlaková diference na cloně. Vzorek materiálu se zapaluje elektrickou jiskrou jiskřiště umístěného nad držákem vzorku. Data z analyzátorů, termočlánků, clony a váhy se sbírají v čase a ukládají v PC.


14

Stanovení rychlosti uvolňování tepla Experimentálně: kónický kalorimetr (zkušební metoda podle ISO/CD 5660-1)

stechiometrický hmotnostní poměr kyslík/palivo

Spalné teplo je takové množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením jednotkového množství paliva. Předpokládá se, že voda, uvolněná spalováním, zkondenzuje a energii chemické reakce není třeba redukovat o její skupenské teplo. Tím se spalné teplo liší od výhřevnosti, kde se předpokládá na konci reakce voda v plynném skupenství. Proto je hodnota spalného tepla vždy větší nebo alespoň rovna hodnotě výhřevnosti.

Tepelné charakteristiky - HRR

15

Přibližné hodnoty uvolněného tepla – různé zdroje Experimentálně: např. vodou chlazený radiometr typ Schmidt-Boelter SBG01

Látka

HRR, 𝑸

hořící cigareta

5W

běžná žárovka

60 W

hořící svíčka

80 W

člověk při běžném pohybu

100 W

hořící papír v odpadkovém koši

100 kW

hořící kaluž benzínu, 1 m2

2.5 MW

dřevěné palety na skládané do výšky 3 m

7 MW


16

Vliv tepelného záření na člověka Intenzita tepelného toku W m-2

Pocit člověka

60 – 100

vnímá teplo

200 – 600

pociťuje teplo

1 000 – 2 300

pociťuje horko

3 000 – 5 000

pociťuje bolest

Intenzita tepelného toku W m-2

Doba působení s

do 550

neomezená

625 – 1 050

180 – 300

1 100 – 1 600

40 – 60

1 680 – 2 200

20 – 30

2 200 – 2 800

12 – 14

2 800 – 3 100

7 – 10

nad 3 500

2–5

Tepelné charakteristiky Přenos tepla zářením • tepelné záření = častý iniciátor požáru • přenos se uskutečňuje prostřednictvím elektromagnetického vlnění, které vzniká v důsledku tepelného stavu těles • při dopadu na povrch jiných těles se mění část zářivé energie zpět na energii tepelnou • energie vyzařovaná tělesy vzrůstá s jejich teplotou

Hodnota emisního součinitele se pohybuje 0 – 1 a závisí na druhu materiálu a stavu jeho povrchu.

17


18

Intenzita toku tepla od plamene na stěnu • Intenzita záření nesvítivého plamene = záření plynů

Efektivní emisivita stěny

• Intenzita záření svítivého plamene

povrch

emisivita

černé těleso

1

čiré sklo

0,95

beton

0,87

omítka

0,85

ocel

0,70

pozink

0,35

leštěný hliník

0,10

leštěné zlato

0,03

plamen z látky

emisivita, pl

antracit

0,45

mazut

0,85

dřevo, rašelina

0,70

benzín

0,96 – 0,99

Tepelné charakteristiky Intenzita toku tepla od plamene na stěnu • např. stavební konstrukce, aparáty, ...

19


20

ČSN EN 1991-1-2 uvádí různé přístupy pro stanovení tepelného zatížení – normativní přístup, který používá pro stanovení tepelného zatížení nominální požár a přístup vycházející z vlastností využívající fyzikální a chemické parametry.

Zdroj: http://www.tzb-info.cz/pozarni-ochrana/8853-tepelna-a-mechanicka-zatizeni-konstrukci-pri-pozaru

Tepelné charakteristiky - HRR

21

Výpočet rychlosti uvolňování tepla při hoření kapalin

• měřením hmotnostního úbytku Vyjádření nedokonalosti spalování (např. tvorba sazí) = efektivní výhřevnost

alkoholy a většina hořlavých plynů  1 (málo sazí) kapalné uhlovodíky  0,6 - 0,7 (hodně sazí/kouře)

Hoření kapaliny v zásobníku (pool fire) Entalpická bilance

qk – tok tepla prouděním, qr – tok tepla sáláním z plamene, qrr – tok tepla sáláním z povrchu hladiny Tb – teplota varu kapaliny Tf – teplota kapaliny

22

Tepelné charakteristiky – kapaliny (zásobník)

23

Intenzita hmotnostního toku (kg m-2s-1) Empirický vztah pro intenzitu hmot. toku* (Burgessova-Strasserova-Grumerova metoda)

- výhřevnost, J kg-1 - měrná výparná entalpie, J kg-1 Tb – teplota varu kapaliny, K T - teplota okolí, K hodnota empirické konstanty c • publikovaná* : 1,27·10-6 m s-1 *M.

J. Assael, K. E. Kakosimos. Fires, explosions, and toxic gas dispersions: effect calculation and risk analysis. Taylor and Francis Group, 2010.

Tepelné charakteristiky – kapaliny (zásobník) Intenzita hmotnostního toku (kg m-2s-1) • experimenty

Experiment ÚCHI VŠCHT Průměr nádoby m

Převažující forma sdílení tepla

do 0,05

konvekce, laminární tok

0,05 - 0,2

konvekce, turbulentní tok

více než 0,2

radiace, turbulentní tok

24

Tepelné charakteristiky – kapaliny (zásobník)

25

Intenzita hmotnostního toku (kg m-2s-1) Empirický vztah pro intenzitu hmot. toku* (Zabetakisova-Burgessova metoda) - závislost na průměru plochy

Palivo

DhC, eff kJ kg-1

Hustota kg m-3

Konstanta kb, m-1

benzín

0,055

43 700

740

2,1

petrolej

0,039

43 200

820

3,5

nafta

0,044

44 400

918

100#

topný olej

0,035

39 700

940 – 1 000

1,7

# odhad

*M.

𝑚′∞ kg m-2 s-1

v případě, že hodnota není známá

J. Assael, K. E. Kakosimos. Fires, explosions, and toxic gas dispersions: effect calculation and risk analysis. Taylor and Francis Group, 2010.


26

Teplota plamene Zdroj hořící zápalka hořící svíčka doutnající cigareta hořící papír rozžhavená elektrická spirála plamen zapalovače žárovka

Teplota [°C] 740 - 800 650 - 950 228 - 750 800 - 850 980 - 1000 650 - 860 70 - 250

Látka rašelina, mazut dřevo, polystyren, nafta černé uhlí, kaučuk, benzín líh metan vodík acetylén

Teplota [°C] 1 000 1 100 1 200 1 218 1 875 2 045 2 325


27

Výška plamene – otevřený prostor

Kapaliny

Pevné látky

Charakteristický rozměr pro nekruhové plochy

Tepelné charakteristiky – experimenty

28

Laboratorní měřítko VŠCHT Praha - měření hmotnostního úbytku hořlavé kapaliny - teplota plamene a stěn nádoby - výška plamene

Hoření heptanu o objemu 6,5 ml v misce o průměru 48 mm.

Měření teploty termokamerou a bodovými termočlánky.

Miska je umístěna na vahách, které jsou odcloněny žáruvzdornou deskou z keramických vláken.


29

Malorozměrové měřítko Technický útvar požární ochrany, Praha - měření teploty v místnosti (norma ISO 9705) - koncentrace plynných složek (O2, CO, CO2, NO…) - rychlost proudění

Místnost 3 x 3.3 x 2.6 m s otevřenými dveřmi

• •

nešířící se požár kapaliny – heptan nešířící se požár plynu – propan butan

Tepelné charakteristiky – experimenty Malorozměrové měřítko Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Technický útvar požární ochrany, Praha - měření teploty v místnosti (norma ISO 9705) - koncentrace plynných složek (O2, CO, CO2, NO…) - rychlost proudění

• • •

nešířící se požár kapaliny – heptan nešířící se požár plynu – propan butan nešířící se požár pevné látky - borové dřevo

30

Tepelné charakteristiky – experimenty Velkorozměrové měřítko Technický útvar požární ochrany, Praha - měření teploty v místnosti - koncentrace plynných složek (O2, CO, CO2, NO…)

• šířící se požár obytných prostor – kuchyně a ložnice

31

Tepelné charakteristiky – experimenty Velkorozměrové měřítko ČVUT Praha, Metrostav, TUPO Praha - měření teplotních profilů - koncentrace plynných složek - rychlost proudění plynů (šíření kouře, spalin)

• zkušební požár v tunelu Valík

32

Tepelné charakteristiky – experimenty Velkorozměrové měřítko VŠB TU Ostrava, TUPO Praha, Rockwool - měření teplotních profilů - koncentrace plynných složek - rychlost proudění plynů, optická hustota kouře - testování izolačních materiálů

• šířící se požár rodinného domu (Bohumín)

33

Tepelné charakteristiky – experimenty Velkorozměrové měřítko

• šířící se požár rodinného domu (Bohumín)

34

Tepelné charakteristiky – experimenty Velkorozměrové měřítko ČVUT Praha, TUPO Praha - měření teplotních profilů - odolnost konstrukčních profilů

• šířící se požár administrativní budovy (Mokrsko)

35

Tepelné charakteristiky – experimenty Velkorozměrové měřítko

https://www.youtube.com/watch?v=ezJ6SorlpJo

35


Čínské požární výcvikové středisko, Chongqing Municipality

37


Čínské požární výcvikové středisko, Chongqing Municipality

38

Skutečnost ...

39

Požár kuchyně v bytě obytného domu. Příčina: při smažení masa došlo ke vznícení oleje.

foto: HZS KHK

Požár dětského pokoje v sedmém patře bytového domu. Příčina: přenosný DVD přehrávač v režimu nabíjení.

foto: HZS MSK

Experimenty (požární zkoušky)

K čemu slouží požární zkoušky? Co to znamená? Požár s přesně definovanými počátečními podmínkami = známým množstvím a druhem hořlavého materiálu a zápalné látky

Zajímají nás informace: • vývoj teplotního pole • složení a koncentrace spalin • rychlost a směru proudění plynů • požární odolnost konstrukcí • množství uvolněného tepla

Cílem je získat experimentální data pro porovnání s daty modelovými.

40

Matematické modely

41

= předpověď chování požáru (profily teploty, tlaku, koncentrace složek, ...) na základě řešení rovnic popisující fyzikální a chemické děje při požáru

Pravděpodobnostní modely • statistické Deterministické modely • zónové • počítačová dynamika tekutin(CFD)

„teplá“ vrstva

„studená“ vrstva dvou-zónový model

Matematické modely typu pole (CFD)

Řešíme soustavu rovnic metodou konečných objemů

42


43

Steckler a kol.

Jak na to? 1. geometrie

místnost: 2,8 x 2,8 x 2,18 m

dveřní prostor: 0,1 x 0,74 x 1,83 m

hořák: 0,48 x 0,3 x 0,42 m výkon: 62,9 kW

Steckler, K. D., Quintiere, J. G., Rinkinen, W. J., 1982. Flow induced by fire in a compartment, NBSIR 82-2520, National Bureau of Standards, Center for Fire Research, Washington, USA.


44

Steckler a kol.

Jak na to? 1. geometrie

volné stěny

vnější prostor

hořák

pevné stěny

místnost


45

Jak na to? 2. řešení rovnic – výpočetní síť Řešená oblast je rozdělena na konečný počet malých kontrolních objemů. Základní rovnice (kontinuity, pohybové, energie, transportní, …), které popisují spojité prostředí, jsou disktetizovány do soustavy algebraických rovnic.

Základní tvary buněk 2D

3D

čtyřstěn

jehlan (pyramida)

šestistěn

pětistěn (klín)

trojúhelník

čtyřúhelník +

+ +

mnohostěn

+

vysíťovaná geometie

logické znázornění


46

Jak na to?

N

 výpočetní síť P W

S

Ukázka výpočetní sítě: nestrukturovaná síť (mnohostěny)

E


47

Jak na to? 2. řešení rovnic – nastavení řešiče proudění

hoření rovnice kontinuity

produkce sazí kinetika hoření

bilance hybnosti

radiace

model turbulence transport hmoty

pyrolýza odpařování

bilance energie Modelování požáru metodou CFD Řešiče: Fluent, CFX

SMARTFIRE

FDS

OpenFOAM + FireFOAM


48

Jak na to? 3. zpracování výsledků

Vizualizace plamene a spalin (program NIST FDS).

Ustálené teplotní pole (program Ansys Fluent). • • • • •

teplotní pole tlakové pole koncentrační pole rychlostní pole ...


49

Složitější geometrie

Požární zkouška – rodinný dům.

Požární zkouška – kuchyně.

Požár chemické laboratoře.

Osvěta – hasicí přístroje Pěnový

50

Hasivo: voda + pěnidlo, obsah hasiva: 6 l, výtlačný plyn: dusík

vhodný

nevhodný

nesmí se použít!

Pevné hořlavé látky

Hořlavé kapaliny mísící se s vodou

Elektrická zařízení pod proudem

Benzín, nafta, minerální oleje a tuky

Hořlavé plyny

Lehké a hořlavé alkalické kovy

Vodní

Hasivo: voda + potaš (K2CO3) – chrání proti zamrznutí

vhodný

nevhodný

nesmí se použít!

Papír, dřevo a další pevné hořlavé látky

Benzín, nafta, líh, ředidlo


Alkoholy

Hořlavé plyny


Cenné materiály (archivy)

Látky prudce reagující s vodou (např. kyseliny) Rostlinné a živočišné tuky a oleje

https://www.youtube.com/watch?v=a2vZuyOee58

Osvěta – hasicí přístroje Sněhový

Hasivo: CO2

vhodný

nevhodný

nesmí se použít!


Pevné hořlavé látky typu dřeva, textil, uhlí


Hořlavé plyny

Hořlavý prach

Hořlavé kapaliny

Sypké látky

Jemná mechanika a elektronické zařízení

Halotronový •

Hasivo: bromid, nebo tetrafluoridbrometan C2F4Br2

dá se použít pro hašení všech materiálů s výjimkou pevných žhnoucích látek.

Práškový Hasivo: prášek Furex ABC = dihydrogenfosforečnan amonný, výtlačný plyn: dusík nebo CO2 vhodný

nevhodný

Elektrická zařízení pod proudem Dřevo, uhlí, textil

Hořlavé plyny Benzín, nafta, oleje Pevné materiály Počítače, televizory a další elektronika

nesmí se použít! Lehké a hořlavé alkalické kovy

Osvěta – hasicí přístroje

https://www.youtube.com/watch?v=i-VSVC_vQZU

51

Bezpečnostní inženýrství - Požáry a exploze-

Recommend Documents