VŠB – Technická univerzita Ostrava Fakulta bezpečnostního inženýrství
Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje
Sborník přednášek XVI. ročník mezinárodní konference
Požární ochrana 2007 pod záštitou rektora Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava Prof. Ing. Tomáše Čermáka, CSc. a generálního ředitele HZS ČR genmjr. Ing. Miroslava Štěpána
Ostrava, VŠB – TU 12. – 13. září 2007
VŠB – Technická univerzita Ostrava Fakulta bezpečnostního inženýrství
Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje
Sborník přednášek XVI. ročník mezinárodní konference
Požární ochrana 2007
Ostrava, VŠB – TU 12. – 13. září 2007
Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta bezpečnostního inženýrství Lumírova 13 700 30 Ostrava - Výškovice Česká republika Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství se sídlem VŠB – TU Ostrava Lumírova 13 700 30 Ostrava - Výškovice Česká republika
Sborník přednášek – XVI. ročník mezinárodní konference POŽÁRNÍ OCHRANA 2007
Lektorovali: Prof. Ing. Karol Balog, PhD. Ing. Petr Bebčák, Ph.D. Doc. Ing. Jaroslav Damec, CSc. Prof. RNDr. Pavel Danihelka, CSc. Doc. Dr. Ing. Aleš Dudáček Doc. Dr. Ing. Miloš Kvarčák Ing. Vasil Silvestr Pekar Ing. Pavel Vaniš, CSc. Editor: Doc. Dr. Ing. Michail Šenovský Pro SPBI vytiskl: Tiskárna Kleinwächter, Frýdek – Místek www.tiskarnaklein.cz © Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství ISBN 978-80-7385-009-8
Odborný garant konference Chairman doc. Dr. Ing. Michail Šenovský - VŠB - TU Ostrava
Vědecký výbor konference Scientific Programe Committee Doc. Dr. Ing. Aleš Dudáček – děkan FBI VŠB – TU Ostrava genmjr. Ing. Miroslav Štěpán – generální ředitel HZS ČR plk. Ing. Jozef Paluš – prezident HaZZ SR st. bryg. prof. dr hab. inż. Zoja Bednarek – rektor SGSP Warszawa plk. doc. JUDr. Vladimír Plecitý, CSc. – rektor Policejní akademie ČR brig. gen. prof. Ing. Rudolf Urban, CSc. – rektor Univerzity obrany Prof. Ing. Karol Balog, PhD. – STU Bratislava Prof. Ing. Pavel Poledňák, PhD. – Žilinská univerzita Assoc. Prof. Dr. Ritoldas Šukys - TU Vilnius Prof. Ing. Anton Osvald, CSc. - TU Zvolen Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hausladen – TU München Prof. Dr.-Ing. Gert Beilicke – Ingenieurbüro für Brand- und Explosionsschutz Leipzig Prof. RNDr. Pavel Danihelka, CSc. – VŠB – TU Ostrava Prof. Dr. rer. nat. Tammo Redeker - Institut für Sicherheitstechnik Freiberg Prof. Dr. rer. nat. habil. Reinhard Grabski – Institut der Feuerwehr Heyrothsberge Doc. Ing. Petr Rapant, CSc. – VŠB –TU Ostrava Ing. Jaromír Sýkora, CSc. – Slezská univerzita Opava Dr. Menno van Duin – Institute for Fire Service and Disasters Relief, Haag
Organizační výbor konference Organising Conference Committee Doc. Ing. Ivana Bartlová, CSc. - VŠB - TU Ostrava Ing. Petr Bebčák, Ph.D. - VŠB - TU Ostrava Ing. Isabela Bradáčová, CSc. – VŠB – TU Ostrava Ing. Lenka Černá – SPBI Ostrava Doc. Ing. Jaroslav Damec, CSc. - VŠB - TU Ostrava Doc. Dr. Ing. Miloš Kvarčák - VŠB - TU Ostrava Doc. Ing. Miroslava Netopilová, CSc. - VŠB - TU Ostrava pplk. Ing. Vasil Silvestr Pekar – TÚPO Praha Ing. Pavel Vaniš, CSc. – CSI, a.s. Praha plk. Ing. Vladimír Vlček, Ph.D. – HZS Moravskoslezského kraje
... Váš partner v oblasti sanací Pomáháme Vám překonávat následky škodní události a obnovit normální běh věcí. Sanace po požárech a škodách způsobených vodou • byty, rodinné domy, budovy, stavby, průmysl • kompletní řešení na klíč - sanace objektů i veškerého vybavení
Kritické situace zvládáme díky svým schopnostem, rychlosti a nasazení.
BEZPLATNÁ KRIZOVÁ LINKA
365 dní v roce
24 hodin denně ISO 9001 : 2001 ISO 14001 : 2005
BELFOR Czechia spol. s r.o. • Družstevní 17 • CZ - 250 90 Jirny Tel.: +420 281 960 519 • Fax: +420 281 865 145 E-mail:
[email protected] • www.cz.belfor.com
HAWLE ARMATURY, spol. s r.o., Váš dodavatel spolehlivých hydrantů.
hydranty_konference_verze_2.indd1 1
31.8.2007 7:54:58
Porovnání vhodných metod predikce maximálních přetlaků a výpočtů ventilačních ploch různými metodami při výbuchu plynů................................ 619 Šustek Jiří, Janovský Břetislav, Vejs Lukáš Experiment v požární ochraně........................................................................... 631 Švec Jiří, Kvarčák Miloš Betón ako stavebný materiál a jeho správanie sa v podmienkach vysokých teplôt .................................................................................................................. 637 Tereňová Ľudmila Zavedení a praxe z provozu jednotného evropského čísla tísňového volání 112 v podmínkách společnosti Vodafone Czech Republic a.s. ............................... 647 Tomek Martin, Tesař Rudolf Vzájomná znášanlivosť nebezpečných chemických látok................................ 653 Tureková Ivana, Balog Karol, Očenáš Marián Securitologie jako bezpečnostní věda ............................................................... 665 Valášek Jarmil Stanovení druhu konstrukční části .................................................................... 671 Vaniš Pavel Bezpečnostní požadavky pro dopravní pásy používané v podzemí.................. 674 Věžníková Hana, Vaňásek Václav, Macura Mian Internetové technologie a modelování krizových situací.................................. 683 Vondrák Ivo a kol. Porucha izolačního odporu jako iniciátor vzniku požáru a možnosti jejich laboratorního zkoumání pro potřebu PTE......................................................... 693 Voříšek Karel, Dvořák Otto Wybrane działania z zakresu profilaktyki przeciwpożarowej w polskich lasach ................................................................................................................. 701 Zarzycki Jarosław Basic procedure in fire extinguishing and saving in aircrafts conflagration .... 724 Zdravkovic Martina, Jovanović Desimir Enclosure to the analyze of the selection of fire extinguish means against the lubricants and oils.............................................................................................. 732 Živanović Stanimir, Jovanović Desimir Application of the field method for the prediction of fire development in enclosures...........................................................................................................737 Bolodian Ivan A., Borodkin Alexander N., Karpov Aleksey V. Einfluss des Phänomens des turbulenten Flammenlöschens auf die Wirkungsweise von statischen Flammendurchschlagsicherungen……………746 Faustmann Torsten
Požiare v energetických podnikoch a ich štatistika………………………..….763 Šovčíková Ľubica, Mitterová Iveta An influence of wind screens on activation time of smoke removal system....774 WNĘK Waldemar Stanovenie horľavosti metódou kyslíkového čísla pre vybraté celulózové produkty………………………………………………………………………782 Coneva Iveta
Porovnání vhodných metod predikce maximálních přetlaků a výpočtů ventilačních ploch různými metodami při výbuchu plynů. Ing. Jiří ŠUSTEK doc. Ing. Břetislav JANOVSKÝ Dr. Ing. Lukáš VEJS
Univerzita Pardubice, Fakulta chemicko-technologická, Ústav energetických materiálů Doubravice 41, 53210 Pardubice Klíčová slova:
ventilování, deflagrace, plyn, přetlak, ventilační plocha Abstrakt:
V současné době dochází v České republice k velkému rozvoji průmyslových zón, kde jsou budovány různé provozy. V některých průmyslových zónách jsou provozy, které spadají mimo jiné pod účinnost nařízení vlády č. 406/2004 Sb. V rámci ochrany před následky výbuchu je vhodné budovy a zařízení konstruovat tak, že jsou opatřeny protivýbuchovým zabezpečením, mimo jiné taky ventilačními panely. Použití ventilačních ploch je výhodné hlavně z ekonomického hlediska, protože konstrukce budov a zařízení, které by odolaly maximálnímu vygenerovanému přetlaku je značně nákladná. Existuje mnoho publikovaných vztahů používaných pro výpočet ventilačních ploch nebo maximálních dosažených přetlaků. Jde o vztahy empirické, semiempirické i teoretické a také existuje řada sofistikovaných softwarových programů, které tuto problematiku řeší na základě výpočetní fluidní dynamiky. Jak ovšem z těchto vztahů vybrat ten nejvhodnější? Bylo provedeno srovnání metodik používaných pro tyto výpočty. V článku jsou uvedeny 4 běžně používané vztahy a výsledky získané jejich použitím jsou porovnány s daty naměřenými různými autory na různých geometrických uspořádáních a s různými pozicemi iniciace, stejně jako s použitím různých plynných směsí. V závěru jsou shrnuty poznatky a doporučení pro použití uvedených vzorců pro různé geometrie a plynné směsi. Dále je zde poukázáno na to, že mnohdy nedojde ke kompletnímu zaplnění prostoru směsí a tím dochází ke vzniků nižších přetlaků. Úvod
V současné době dochází v České republice k velkému rozvoji průmyslových zón, kde jsou budovány různé provozy. V některých průmyslových zónách jsou provozy, které spadají mimo jiné pod účinnost 619
nařízení vlády č. 406/2004 Sb. V rámci ochrany před následky výbuchu je vhodné budovy a zařízení konstruovat tak, že jsou opatřeny protivýbuchovým zabezpečením, mimo jiné taky ventilačními panely. Použití ventilačních ploch je výhodné hlavně z ekonomického hlediska, protože konstrukce budov a zařízení, které by odolaly maximálnímu vygenerovanému přetlaku je značně nákladná. Je několik způsobů, jak určit vhodnou ventilační plochu. Nejjistějším způsobem je postavit maketu provozu ve skutečné velikosti a vyzkoušet vhodnou velikost ventilační plochy. Tento způsob je ovšem velmi nákladný, proto bylo vytvořeno mnoho vztahů, které umožňují vhodnou ventilační plochu a maximální přetlak odhadnout. Jde o vztahy empirické, semiempirické i teoretické a také existuje řada sofistikovaných softwarových programů, které tuto problematiku řeší na základě výpočetní fluidní dynamiky ve 3-D geometrii. Je otázkou, jak přesné jsou odhady provedené s použitím empirických nebo semiempirických metod. Byla provedena rešerše publikovaných modelů a srovnání těchto metodik používaných pro výpočty. V článku jsou uvedeny vztahy vybrané s důrazem na jednoduchost a dostupnost publikovaných dat pro porovnání s vypočtenými hodnotami. Porovnání bylo provedeno pro data naměřená různými autory v různých geometrických uspořádáních a s různými pozicemi iniciace, stejně jako s použitím různých hořlavých plynů. V závěru jsou shrnuty poznatky a doporučení pro použití různých vzorců pro různé geometrie a plynné směsi. Současný stav
Při hledání vhodných vztahů se vycházelo z odkazů publikovaných v rešerších zejména, Razuse (Razus 2000), Bradleyho a Mitchesona (Bradley 1978a,b). V padesátých a šedesátých letech 20. století bylo Cubbage a Simmondsem (Cubbage 1955, Simmonds 1960, H.M.S.O. 1971) provedeno mnoho experimentů s různými druhy plynů a par v nádobách simulujících průmyslové sušárny (krychle, kvádr). Na základě jejich výsledků byly navrženy velice univerzální vztahy, použitelné v širokém rozmezí podmínek. Pro srovnání byl vybrán vztah použitelný za podmínky že přetlak na vyražení ventilu je menší než 7 kPa: ∆p 2 =
Ax ,v Av
1.
Kde ∆p2 je maximum druhého píku průběhu tlaku v nádobě [psi], přičemž první pík je dosažen při otevření ventilu. Ax,v je plocha stěny s ventilem [m2] a Av je plocha ventilačního otvoru [m2]. Rasbash (Rasbash 1969, Rasbash et al. 1976, Cubbage 1973) na základě testů se 4 % směsí propanu se vzduchem navrhl vztahy poskytující dobré
620
výsledky v širokém rozmezí podmínek a výbušných směsí. Bradley a Mitcheson (Bradley 1978a, b) uvádí ve své publikaci vztah publikovaný Rasbashem (Rasbash 1969): ∆pm = 1,5( pv − p0 ) + 3,5
Ax Av
2.
Ten ovšem ve své publikaci uvádí vztahy: Pro kPa: Pm = 10 Pv + 3,5 ⋅ K
3.
a pro lb/in2: Pm = 1,5Pv + 0,5 ⋅ K
4.
kde: K =
Ax ,min Av
5.
a Av je plocha ventilu, Ax je plocha stěny s ventilem, Ax,min je plocha nejmenší stěny nádoby, Pm je maximální přetlak v nádobě, Pv je přetlak na vyražení ventilu, pv je tlak na vyražení ventilu a p0 je tlak počáteční, Rasbash dále uvádí vztah (Rasbash et al. 1976) zahrnující v sobě turbulentní faktor a odpor ventilačního panelu ve formě jeho hmotnosti vztažené na plochu. Tento vztah je však již komplikovanější. Na začátku sedmdesátých let byly hlavně v důsledku havárie v Ronan Point studovány výbuchy zemního plynu. Výsledky studie prováděné organizací TNO pro Stavební Materiály a Stavební Konstrukce za finanční podpory „Nadace pro výzkum bydlení“ shrnul ve své práci Dragosavič (Dragosavič 1983). Experimenty byly prováděny v kubických nádobách. Na základě výsledků formuloval vztah platný pokud je výsledný maximální tlak v nádobě aspoň o 3 kPa větší než přetlak na vyražení ventilu ∆pm > 3 + (pv – p0).: 0,04V02 ∆pm = 3 + 0,5( pv − p0 ) + Av2
6.
kde pv je tlak na vyražení ventilu [kPa], p0 je tlak počáteční [kPa], V0 je objem nádoby [m3] a Av je plocha ventilu [m2]. Americká National Fire Protection Association (NFPA) vydala příručku pro ventilování výbuchů plynů (NFPA 68), kde se pro nádoby s nízkou odolností uvádí vztah, který platí, pokud je přetlak na vyražení ventilu menší než 10 kPa: pred =
(C ⋅ AS )2 Av2
7.
kde AS je vnitřní povrch nádoby [m2], Av je plocha ventilu [m2], C je konstanta 621
pro daný plyn [bar0,5] a pred je maximální přetlak v nádobě [bar]. NFPA upozorňuje na to, že v případě přítomnosti překážek, které vyvolávají turbulence, mohou hodnoty tlaku výrazně překročit přetlaky vypočtené podle této rovnice a uvádí mnoho různých korekcí pro lepší návrh ventilační plochy. V příručce jsou uvedeny pouze tři hodnoty konstanty C a není zde uveden odkaz na tabulku jiných hodnot, ze kterých by se dalo při výpočtu čerpat. Hodnoty konstanty C v bar0,5 jsou pro bezvodý amoniak 0,013, pro methan 0,037 a pro plyny s počáteční rychlostí hoření menší než 1,3 násobek rychlosti hoření propanu je to 0,045. Experimentální data
Vybrané modely byly srovnávány s daty získanými rešerší a pro posouzení vhodnosti i s daty pro nekompletní zaplnění prostoru výbušnou směsí. Experimentální data byla čerpána z literatury, kterou uvádí zejména Razus (Razus 2000) a další (Catlin et al. 1993; Chippet 1984; Molkov 1999, 2000; Zalosh 1979) a data pro nekompletní zaplnění objemu (Janovsky et al. 2006). Z publikovaných dat popisujících experimenty byly podle vybraných vztahů vypočteny maximální tlaky a ty srovnány s publikovanými hodnotami. Chyby byly vypočteny jako rozdíl teoreticky vypočítané hodnoty, od které byla odečtena hodnota experimentální a tento rozdíl byl podělen hodnotou experimentální a násoben 100. V grafech jsou vyneseny závislosti chyby na tvaru nádoby a plynné směsi použité při experimentu, pro vztah 1 (Cubbage 1955, Simmonds 1960, H.M.S.O. 1971) jsou tyto grafy uvedeny na Obrázku 1 a 2, pro vztah 3 (Rasbash 1969) jsou na Obrázku 3 a 4, pro vztah 6 (Dragosavič 1983) jsou na Obrázku 5 a 6 a pro vztah 7 (NFPA 68) jsou na Obrázku 7 a 8. Výsledky
Pro přehlednost byl pro všechny grafy zvolen stejný rozsah a to v rozmezí chyb od -200 % až do 500 %. U některých metod to znamenalo, že se některé hodnoty dostaly mimo rozsah grafu. V Tabulce 1 je pro představu u každé metody uvedeno kolik hodnot větších než 500 % bylo vynecháno a jaká byla maximální kladná i záporná chyba. Data pro nekompletní zaplnění jsou pro přehlednost označována při rozlišení podle tvaru nádoby jako válec_NZ. Tabulka 1: Maximální kladná i záporná chyba pro jednotlivé metody a počet vynechaných hodnot větších než 500 %
622
500
400
Chyba [%]
300 Vodík Methan Zemní plyn Propan Aceton Ethylen
200
100
0 0
50
100
150
200
-100
-200
Označení experimentu
Obrázek 1: Chyby dosažené při vypočtu podle vztahu 1 (Cubbage 1955, Simmonds 1960, H.M.S.O. 1971) při použití různých plynů Vztah 1 podle Cubbage, přestože poskytuje kladné i záporné chyby v přibližně stejném poměru, pro mnoho experimentů udává hodnoty přetlaku značně podhodnocené. Nejvíce podhodnocené experimenty jsou ty, probíhající za zvýšeného počátečního tlaku v cylindrických nádobách s propanem a methanem a v kulových nádobách s methanem. Naopak pro zemní plyn poskytuje tato metoda výsledky dosti přesné, stejně tak pro ethan a ethylen. Kde pro oba případy není podhodnocení větší než asi -25 % a nadhodnocení nepřesahuje 65 %. Pro kubické nádoby a nádoby obdélníkového průřezu tento vztah podhodnocuje přetlaky do -50 %, kdežto ostatní geometrie se blíží - 95 % s výjimkou nekompletního zaplnění válcové nádoby. Tento vztah není vhodný pro zvýšený počáteční tlak a pro zvýšený přetlak na vyražení ventilu. Pro zemní plyn poskytuje dosti přesné výsledky a celkově nenadhodnocuje přetlaky přes 150 % s výjimkou vodíku a nekompletního zaplnění objemu plynem.
623
500
400
Chyba [%]
300 Krychle Válec Válec_NZ Kvádr Koule
200
100
0 0
50
100
150
200
-100
-200
Označení experimentu
Obrázek 2: Chyby dosažené při vypočtu podle vztahu 1 (Cubbage 1955, Simmonds 1960, H.M.S.O. 1971) pro různé tvary zkušební nádoby 500
400
Chyba [%]
300 Vodík Methan Zemní plyn Propan Aceton Ethylen
200
100
0 0
50
100
150
200
-100
-200
Označení experimentu
Obrázek 3: Chyby dosažené při vypočtu podle vztahu 3 (Rasbash 1969) při použití různých plynů Ve vztahu 3 podle Rasbashe je, díky zahrnutí vlivu přetlaku na vyražení ventilu, vidět jistý pokles počtu podhodnocení přetlaku. Přičemž přes 60 % chyb 624
je v intervalu -50 % až 100 %. Největšího podhodnocení je dosaženo pro zvýšené počáteční tlaky a pro vodík. Pokud by tyto hodnoty byly vynechány, pak je vztah velice univerzální a poskytuje výsledky nadhodnocené maximálně asi 200 % a podhodnocené do -15 %. Není ovšem nejvhodnější pro propan, pro který poskytuje největší podhodnocení. Pro aceton poskytuje nadhodnocení kolem 650 %, ale jeho použití není příliš běžné. 500
400
Chyba [%]
300 Krychle Válec Válec_NZ Kvádr Koule
200
100
0 0
50
100
150
200
-100
-200
Označení experimentu
Obrázek 4: Chyby dosažené při vypočtu podle vztahu 3 (Rasbash 1969) pro různé tvary zkušební nádoby Vztah 6 podle Dragosaviče i přes zahrnutí tlaku na vyražení ventilu poskytuje dost podhodnocené přetlaky. Jediné hodně nadhodnocené jsou výsledky pro nekompletní zaplynování a pro vodík v kulové nádobě. Ostatní přetlaky jsou vesměs podhodnoceny. Když ovšem opět vynecháme data pro zvýšený počáteční tlak a zvýšený přetlak na vyražení ventilu, pak jsou hodnoty do -40 % a pro zemní plyn poskytují velice dobrou shodu, naopak pro propan jsou podhodnocené nejvíc. Tento vztah se dá doporučit pro nádoby s methanem a zemním plynem za normálního počátečního tlaku a s nízkým přetlakem na vyražení ventilu.
625
500
400
Chyba [%]
300 Vodík Methan Zemní plyn Propan Aceton Ethylen
200
100
0 0
50
100
150
200
-100
-200
Označení experimentu
Obrázek 5: Chyby dosažené při vypočtu podle vztahu 6 (Dragosavič 1983) při použití různých plynů 500
400
Chyba [%]
300 Krychle Válec Válec_NZ Kvádr Koule
200
100
0 0
50
100
150
200
-100
-200
Označení experimentu
Obrázek 6: Chyby dosažené při vypočtu podle vztahu 6 (Dragosavič 1983) pro různé tvary zkušební nádoby Vztah 7 doporučovaný NFPA podhodnocuje pouze experimenty se zvýšeným počátečním přetlakem a přetlakem na vyražení ventilu. Dále se zdá 626
nevhodný pro válcové nádoby plněné propanem. Pro ostatní uspořádání poskytuje hodnoty vesměs nadhodnocené někdy dost značně. 500
400
Chyba [%]
300
Methan Zemní plyn Propan Ethylen
200
100
0 0
50
100
150
200
-100
-200
Označení experimentu
Obrázek 7: Chyby dosažené při vypočtu podle vztahu 7 (NFPA 68) při použití různých plynů 500
400
Chyba [%]
300 Krychle Válec Válec_NZ Kvádr Koule
200
100
0 0
50
100
150
200
-100
-200
Označení experimentu
Obrázek 8: Chyby dosažené při vypočtu podle vztahu 7 (NFPA 68) pro různé tvary zkušebních nádob 627
Pro nekompletní zaplynování poskytuje maximální nadhodnocení kolem 16000 %. Další z jeho nevýhod je pouze omezená možnost použití díky absenci konstant pro další plyny. Závěr:
Jak je z diskuze patrné, největší pozornost byla věnována chybám, které ukazují na podhodnocování výsledných přetlaků. Tyto chyby mohou vést k použití nedostatečných ochranných opatření a tudíž představují ohrožení bezpečnosti, na rozdíl od chyb nadhodnocujících, které mají za následek použití nákladnějších ochranných opatření. Na hodnoty experimentálních přetlaků má vliv mnoho faktorů. Zejména pozice iniciace, počáteční tlak a teplota, přetlak na vyražení ventilačního panelu. Většina těchto jednoduchých metod tyto faktory nezahrnuje, proto je připravováno také podobné srovnání i pro složitější vztahy. S tím je ovšem spojena řada obtíží při získávání podrobností o uspořádání experimentů, neboť mnoho publikací podrobnosti o uspořádání experimentu neposkytuje. Je na první pohled vidět, že pro uspořádání s nekompletním zaplněním objemu plynem, dochází většinou k nadhodnocení hodnot přetlaku, v některých případech dosti značnému. Jako vztah, který vždy poskytne nadhodnocený přetlak, lze s ohledem na zvýšený počáteční tlak a tlak na vyražení ventilu, označit vztah 7 uváděný NFPA. Vztah 6 publikovaný Dragosavičem lze doporučit pro nádoby se zemním plynem a methanem opět za normálního počátečního tlaku a s nízkým přetlakem na vyražení ventilu. Nejuniverzálnějšími se zdá být vztah 3 podle Rasbashe, který snad kromě zvýšeného počátečního tlaku poskytuje dobré výsledky, a vztah 1 podle Cubbage, který ovšem neposkytuje tak dobré výsledky jako vztah 3. Příspěvek vznikl za podpory Grantové agentury ČR, grantu č. 105/05/0729 „Dynamika šíření deflagrace plynných výbušných systémů v potrubních trasách, tunelech a důlních dílech a ochrana před jejími destrukčními účinky“, za což patří Grantové agentuře poděkování všech autorů. Literatura:
[1] Bradley 1978a. Bradley, D., Mitcheson, A.: The venting of Gaseous Explosions in Spherical Vessels. I-Theory. Combustion and Flame. Vol. 32, March 1978, str. 221-236.
628
[2] Bradley 1978b. Bradley, D., Mitcheson, A.: The venting of Gaseous Explosions in Spherical Vessels: II-Theory and Experiment. Combustion and Flame. Vol. 32, March 1978, str. 237-255. [3] Catlin 1993. Catlin, C. A., Manos A. and Tite J. P.: Mathematical modelling of confined explosions in empty cube and duct shaped enclosures: Effects of Scale and Geometry. Trans IChemE, Vol 71, Part B, May 1993, str. 89-100 [4] Cubbage 1955. Cubbage, P. A., Simmonds, W. A.: Trans. I. Gas. Eng. 105, 470 (1955) [5] Cubbage 1973. Cubbage, P. A., Marshall, M. R.: Pressures Generated by Explosions of Gas-Air Mixtures in Vented Enclosures. Inst. Gas. Eng., Comunication No. 926, 1973. [6] Dragosavič 1983. Dragosavič, M.: Heron 19 (1973) [7] H.M.S.O. 1971. Evaporating and Other Owens. Health and Safety at Work Booklet No.46, Dept. of Employment, H.M.S.O., 1971 [8] Chippett 1984. Chippett, S.: Modeling of Vented Deflagrations. Combustion and Flame 55 (1984) str. 127-140 [9] Janovsky 2006. Janovsky, B., Selesovsky, P., Horkel, J., Vejs, L.: Vented confined explosions in Stramberk experimental mine and AutoReaGas simulation. J. Loss Prevention in the Process Industries, 19, pp. 280 – 287, 2006. [10] Molkov 1999. Molkov, V. V.: Explosion safety engineering: NFPA 68 and improved vent sizing technology. Proceedings of 8th International Konference on INTERFLAM´99; vol.2, Edinburgh (1999) str. 1129-34 [11] Molkov 2001. Molkov, V. V.: Unified correlations for vent sizing of enclouseres at atmospheric and elevated pressure. J. of Loss Prevention in the Process Industrie; 14 (2001) str. 567-574 [12] NFPA 68. NFPA 68: Guide for Venting of Deflagrations. National Fire Protection Association. Quincy, MA, USA, (1998) [13] Rasbash 1969. Rasbash, D. J.: The Structural Engineer 47, 404 (1969), J. Inst. Heating Vent. Eng. 37, 142 (1969), Fire Research Station, Boreham Wood, Fire Research Note No.759, 1969. [14] Rasbash 1976. Rasbash, D. J., Drysdale, D. D., Kemp, D.: Symposium on Process Industry Hazards, I. Chem. E. Symposium Series No.47, 1976, str. 145. [15] Razus 2000. Razus, D. M., Krause, U.: Comparison of empirical and semiempirical calculation methods for venting of gas explosions. Fire Safety Journal 36, (2001), str. 1-23 629
[16] Simmonds 1960. Simmonds, W. A., Cubbage, P. A.: First Symposium on Chemical Process Hazards, I. Chem. E., 1960, str. 69 [17] Zalosh 1979. Zalosh, R. G.: Gas explosion tests in room-size vented enclosures. Loss Prevention 13, 98 (1979)
630
Experiment v požární ochraně Doc. RNDr. Jiří ŠVEC, CSc., Doc. Dr. Ing. Miloš KVARČÁK VŠB – TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství Lumírova 13, Ostrava - Výškovice e-mail:
[email protected] [email protected] Klíčová slova:
experiment, požár, požární ochrana Abstrakt
Požár je složitý děj, který je ovlivňován mnoha faktory. Dnešní doba umožňuje děje související s požáry popisovat a různé varianty požárů také modelovat. Přesto má nezastupitelnou úlohu v řešení této problematiky technický experiment. Jen ten může postihnout veškeré vlivy související s tak složitým dějem, jako je hoření. Realizovat technický experiment znamená dodržet pravidla související ze systematickým a cílevědomým pozorováním uvedeného děje. Jde o finančně nákladnou záležitost, neboť objekt, zařízení a prostor je při realizovaném experimentu většinou zničen. Hoření látek provázejí skutečnosti, které ohrožují okolí. To vše se musí před zahájením experimentu zvážit. Úvod
Pod pojmem požární ochrana si představujeme děje a činnosti související s požáry, zejména s jejich předcházením a likvidaci. Požár je nežádoucí hoření, při kterém dochází k usmrcení nebo zranění osob nebo zvířat, ke škodám na materiálních hodnotách nebo ke škodám na životním prostředí. Požár je složitý děj, který je ovlivňován mnoha faktory. I v dnešní době je nutné se seznamovat s jevy, které provázejí požáry, tyto jevy poznávat a vyhodnocovat. Je nutné jevům souvisejícím se vznikem a průběhem požáru porozumět, abychom mohli požárům předcházet a mohli proti nim účinně zasahovat. Dnešní úroveň poznání a technické vybavení umožňuje děje související s požáry nejenom popisovat, ale také modelovat. Užití výpočetních modelů výrazným způsobem posunulo rozsah poznání jevů souvisejících s požáry. Přesto i v dnešní době má nezastupitelnou úlohu v řešení této problematiky technický experiment. Jen ten může postihnout veškeré vlivy související s tak složitým dějem, jako je hoření při požáru. Technický experiment
Technický experiment je řada činností, které umožňují a zajišťují systematické a cílevědomé pozorování nebo řízené působení na: 631
- zkoumaný reálný objekt, - model zkoumaného reálného objektu s cílem poznat zákonitosti jeho chování. Technický experiment je ve všech sférách lidské činnosti zdrojem objektivních informací a základem pro objektivní zhodnocení daného stavu a pro efektivní rozhodování. Jedná se například o analýzu a řízení technických a technologických procesů, kontrolu kvality výrobků a řízení výroby, ochranu zdraví obyvatel, hospodárné využívání surovin, materiálů a energie, řešení mimořádných situací. Experimentální činnost je nezbytnou a nezastupitelnou součásti technické praxe, bez níž není možný rozvoj žádného technického vědního oboru. Metodika experimentální práce je ovlivňována: - oborem zkoumání a z něj vyplývajícími možnostmi plánovaného působení, - mentalitou a zkušenostmi experimentátora, - možnostmi řešitelského pracoviště. Technický experiment zahrnuje: - přípravu. - vlastní experimentální činnost, - zhodnocení výsledků a závěry. Příprava technického experimentu
Příprava technické experimentu musí zajistit: - reálný průběh vlastního technického experimentu, - dokonalé poučení realizátora (resp. členů realizačního týmu) o záměrech a cílech experimentu a postupu experimentálních prací, - zvolení vhodného měřícího zařízení a správné uspořádání měření. Před vlastní přípravou je nutné dokonale se seznámit s fyzikální problematikou oboru do něhož připravovaný experiment spadá (veličiny, jejich vzájemné vztahy, možnost ovlivnění veličin vnějšími vlivy, jednotky, fyzikální konstanty, fyzikální zákony, princip měření atd.). Dále je nutné rozumně provést důkladnou literární rešerši a zjistit, zda: -
byl tento problém již řešen, lze toto řešení využít, lze na toto řešení navázat, lze upravit (a jak) experimentální postup pro naše podmínky.
Po této části přípravy experimentu lze zařadit i výběr měřících přístrojů (druh, měřící rozsah, citlivost, přesnost) a dokonalé seznámení realizátora experimentu s jejich vlastnostmi a obsluhou. Je třeba také zajistit, zda přístroje 632
jsou také kalibrované. Ukázka možnosti měření rozsahu a parametrů požáru lesa při experimentech je na obrázku č.1 a – e [6].
Obr. č. 1 a – snímek hořícího remízku, b, c, d, e – termogramy hořícího prostoru s různých míst a různého dodatečného vybarvení pomocí software 76,9°C
82,4°C 80
70 60
60
50
SP01
SP01
40
40 30
20 21,9°C
16,7°C
125,2°C
88,3°C
120
80 100
60
80 SP01
SP01
60
40
40
20 22,6°C
13,0°C
Vlastní příprava experimentu pak začíná přesnou formulací experimentálního problému. Zadavatel a řešitel si musí vzájemně velmi dobře 633
ujasnit, co je cílem experimentu a k čemu budou získané informace sloužit. Dále je třeba stanovit a přesně definovat všechny závislé proměnné, které popisují stav a chování zkoumaného objektu a nezávislé proměnné, to je vlivy, které mohou ovlivňovat stav a chování zkoumaného objektu. Po stanovení jednotlivých relací mezi proměnnými je možno formulovat pracovní hypotézu experimentu. V další části přípravy experimentu je třeba zhodnotit možnosti řešitelského pracoviště z hlediska přístrojového a personálního vybavení, časových a ekonomických možností kvalifikovaného zpracování výsledků. Závěrečná fáze přípravy experimentu končí návrhem a řešením analytického modelu experimentu. Tomu předchází: - výběr počtu proměnných (parametrů), které budeme měřit, resp. sledovat, - určení počtu verzí jednotlivých nezávisle proměnných v obou uvedených bodech, obvykle se provádí určitá redukce původně sledovaných proměnných, a to jak z hlediska účelu experimentu, tak z hlediska možností řešitelského pracoviště, - určení počtu potřebných pokusů; opakování příslušných pokusů může být u „terénních“ experimentů značný problém, jehož řešení se odvíjí hlavně od časových a finančních možností; je třeba si uvědomit, že počet pokusů výrazně ovlivňuje „sílu“ závěrů z provedeného experimentu a že z jednoho byť sebelépe provedeného a vyhodnoceného experimentu nelze činit dalekosáhlé obecné závěry; dále rozbor zdrojů chyb a jejich eliminaci na přijatelnou míru pro sledovaný účel experimentu. Vlastní provedení experimentu
Pro metodické, technické, personální a organizační zabezpečení experimentu je nutno: - zkontrolovat do jaké míry platí předpoklady přijaté v přípravné fázi experimentu; pokud se objeví jakékoliv odlišnosti je třeba tuto situaci adekvátně vyřešit, - zajistit bezporuchovou činnost všech členů měřicího řetězce, včetně bezporuchového záznamu naměřených veličin, - přesně dodržovat stanovený postup bez jakýchkoliv odchylek a improvizací, - vedení zápisu o průběhu a podmínkách experimentu; tento zápis musí být přesný, správný, objektivní a dobře srozumitelný, musí v něm být uvedeny všechny skutečnosti i zdánlivě bezvýznamné, které by mohly ovlivnit vyhodnocení experimentu. Po ukončení experimentu je rozumné zkontrolovat správnou funkci všech meřících přístrojů. 634
Vyhodnocení experimentu
Vyhodnocení experimentu obvykle spočívá v odvození závěrů pro zkoumaný model reálného systému a formulaci obecných závěrů o vlastnostech a chování zkoumaného reálného systému. Předem je však nutné znovu zhodnotit dodržení stanovených podmínek experimentu, vyhodnotit chyby a nejistoty všech měření, včetně vyloučení hrubých chyb a ubezpečit se v tom, že během experimentu se neobjevily žádné nepředpokládané vnější vlivy, které by mohly vyhodnocení experimentu ovlivnit. Na základě výše uvedeného je pak možno uvážit, jak dalece splnil experiment očekávání, jak široké a jak obecné závěry lze z provedeného experimentu vyvodit a formulovat. Závěr
Je třeba si uvědomit, že realizace technického experimentu s požárem v reálných podmínkách není jednoduchou záležitostí. Vždy půjde o finančně nákladnou záležitost, neboť objekt a zařízení mohou být při realizovaném experimentu zničeny. V podmínkách požáru bude uvolňováno teplo, budou vznikat zplodiny hoření, které mohou poškodit, či zničit některá z měřících zařízení. Při hoření se budou uvolňovat toxické látky, které ohrozí v místě konání experimentu životní prostředí. Samotný experiment může ohrozit na zdraví účastníky experimentu. Pro tento případ je nutno předem stanovit bezpečnostní pravidla pro všechny přítomné účastníky experimentu, se kterými musí být seznámeni. Na místě musí být i adekvátní zabezpečení pro případ ohrožení. Literatura
[1] Bernard, J. Technický experiment, Vydavatelství ČVUT, Praha, 1999. [2] Koschin, F. a kol. Stat graphics aneb sholistika pro každého, Grada, 1992, ISBN 80-85424-70-3. [3] Polenčár, R. Modely merania pri zabezpečovaní kvality, STU Bratislava, 1998. ISBN 80-227-1170-5. [4] Brozda, A., Jančík, J. Technická měření, Vydavatelství ČVUT, Praha 1996. ISBN 80-01-01495-9. [5] Chudý, V. a kol. Meranie technických veličín, STU, Bratislava 1999. [6] Kadlec, Z., Kvarčák, M.: THE HEAT PARAMETERS OF THE FIRES AND THEIR ASSESS. In Sborník přednášek 5th International Scientific Conference: WOOD & FIRE SAFETY, ŠTRBSKÉ PLESO SR,
635
TECHNICAL UNIVERSITY OF Zvolen, s.87-91, 2004, ISBN 80-2281319-2.
636
Betón ako stavebný materiál a jeho správanie sa v podmienkach vysokých teplôt Ing. Ľudmila TEREŇOVÁ, PhD. Technická univerzita Zvolen, Drevárska fakulta, Katedra protipožiarnej ochrany T. G. Masaryka 24, 960 53 Zvolen e-mail:
[email protected] Abstrakt
Betón a stavebné konštrukcie z neho vyrobené sú v zmysle súčasných právnych predpisov z hľadiska protipožiarnej bezpečnosti stavby posudzované ako nehorľavé, ktoré spĺňajú z hľadiska reakcie na oheň, vplyvu na intenzitu požiaru, stabilitu a nosnosť konštrukcie kritériá konštrukčných prvkov druhu D1. Napriek tomu sú hlavne železobetónové konštrukcie, ktoré sú pri požiari namáhané vysokými teplotami, vystavené riziku ich porušenia. Preto je potrebné venovať čoraz väčšiu pozornosť ich projektovaniu a navrhovaniu do extrémnych podmienok požiaru, s využitím nových technológií ich ochrany. Kľúčové slová
betón, protipožiarna bezpečnosť stavieb, odpraskávanie betónu, Eurokód Úvod
Na vlastnosti stavebných materiálov sú v súčasnom rozvoji stavebníctva kladené čoraz vyššie nároky. Stavebné výrobky z nich vyrobené musia spĺňať požiadavky, ktoré predpisujú najnovšie európske predpisy. Z hľadiska požiadavky protipožiarnej bezpečnosti stavby sú to hlavne vlastnosti z hľadiska reakcie na oheň a požiarnej odolnosti. Pre navrhovanie betónových konštrukcií na účinky požiaru sú stanovené pravidlá v STN P ENV 1992-1-2 Eurokód 2: Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-2: Všeobecné pravidlá. Navrhovanie konštrukcií na účinky zaťaženia požiarom [8]. Betón a jeho zložky
Aby betón nadobudol dobré konečné vlastnosti, musí sa pripraviť z vhodných zložiek v správnom pomere, ako aj správne miešať, uložiť do debnenia, tam ho starostlivo spracovať a ošetrovať. Len správne pripravený betón môže mať dobré konečné vlastnosti, od ktorých v konečnom dôsledku závisia aj jeho požiarnotechnické vlastnosti. Základné zložky betónu sú cement, kamenivo a voda. Okrem nich sa môžu pridávať do betónu ešte rôzne prísady na zlepšenie niektorých jeho vlastností. Cement je najdôležitejšou zložkou betónu, ktorá plní funkciu spojiva. 637
Na výrobu betónu sa môžu používať všetky druhy a triedy cementov, ktoré vyhovujú platným normám a predpisom. Voľbu druhu a triedy cementu ovplyvňuje účel konštrukcie, požiadavka na pevnosť betónu, teplota prostredia pri výrobe betónu, požadovaná rýchlosť tvrdnutia, požiadavka na trvanlivosť betónu, atď. Najčastejšie sa používajú portlandské alebo zmesné cementy s normálnym priebehom tvrdnutia. Na betóny vyšších pevností sa musia používať cementy vyšších tried a opačne, pretože iný postup je nehospodárny, resp. z cementov nižších tried nemožno vyrobiť betóny vysokých pevností. Kamenivo v betóne má funkciu plniva a predstavuje najväčšiu zložku betónu. Najčastejšie sa používa prírodné hutné ťažené alebo drvené kamenivo, s požadovanými vlastnosťami, resp. umelé kamenivo, čo môžu byť rôzne priemyselné odpady alebo kamenivo osobitne na tento účel vyrobené (na prípravu ľahkých betónov). Voda na prípravu betónovej zmesi a betónových výrobkov sa uplatňuje ako zámesová, ktorá je zložkou betónu a ošetrovacia, ktorou sa vlhčí betón počas určitej doby jeho tvrdnutia (v rozmedzí 7-21 dní, kým nedosiahne minimálne 70 % kockovej pevnosti). Zámesová voda v betóne má dve funkcie. Umožňuje tuhnutie a tvrdnutie betónu a okrem toho umožňuje dosiahnuť správnu konzistenciu a spracovateľnosť betónovej zmesi. Množstvo zámesovej vody značne vplýva na vlastnosti betónu, najmä na pevnosť a priepustnosť. Na množstvo zámesovej vody vplýva druh cementu, jeho množstvo a merný povrch, ale aj množstvo a vlastnosti kameniva (vlhkosť, zrnitosť kameniva). Z uvedeného vyplýva, že medzi množstvom vody a množstvom cementu existuje určitý vzťah, preto bol zavedený tzv. vodný súčiniteľ, t.j. hmotnostný pomer množstva vody a cementu. Pri bežne používaných betónoch sa pohybuje od w = 0,35-0,8. Za predpokladu úplného zhutnenia cementového tmelu s rastúcim vodným súčiniteľom klesá pevnosť cementového kameňa pre jeho zvyšujúcu sa pórovitosť, rastie zmrašťovanie, opotrebiteľnosť betónu a klesá odpor proti posunutiu výstuže. Preto sa nesmie do betónu pridávať viac vody, ako je potrebné na dosiahnutie vyžadovanej konzistencie betónovej zmesi. Konzistencia betónovej zmesi však nezávisí len od vhodného pomeru vody a cementu, ale aj od vhodného pomeru vody ku všetkým suchým zložkám, teda ku cementu a kamenivu. Ošetrovacia voda sa používa pri vykonávaní betonárskych prác, ktorou sa betón kropí počas tvrdnutia. Kropením sa dopĺňa vyparená adsorbovaná voda, čím sa síce zmrašťovanie betónu nevylúči, ale časovo sa posunie na dobu, kedy už má betón dostatočnú pevnosť v ťahu a je schopný odolávať vzniku trhlín a tým aj znižovaniu konečných pevností a trvanlivosti betónu [2]. Vlastnosti betónu
Prednosťou betónu je vysoká pevnosť v tlaku, trvanlivosť, vodotesnosť, 638
ohňovzdornosť atď. Betón v spojení s oceľovou výstužou vytvára konštrukcie, ktoré dobre odolávajú aj namáhaniu na ťah a ohyb. Nevýhodou prostého betónu je malá pevnosť v ťahu, vysoká objemová hmotnosť, zle sa opracúva, má veľkú zvukovú a tepelnú vodivosť a vykazuje objemové zmeny a kolísavé vlastnosti. Pre stavebnú prax majú najväčší význam mechanické vlastnosti betónu a trvanlivosť v rôznom prostredí. Vlastnosti betónu sa overujú skúškami podľa platných technických noriem. Hutnosť betónu ovplyvňuje takmer všetky vlastnosti betónu a závisí od mnohých skutočností, ako je hutnosť použitého kameniva, hutnosť cementového tmelu, ktorú zasa ovplyvňuje vodný súčiniteľ a jemnosť mletia cementu. Na hutnosť ďalej vplýva spôsob miešania a zhutňovania betónu, ako aj skladba zložiek betónu. Len pri dostatočnej hutnosti betónu sa môžu plne využiť jeho konštrukčné vlastnosti. Pevnosť betónu je daná najmä vlastnosťami jeho dvoch súčastí, t.j. pevnosťou cementového kameňa a súdržnosťou zŕn kameniva s cementovým tmelom. Pevnosť betónu ďalej závisí na mnohých výrobných činiteľoch, napr. na zložení betónovej zmesi, na kvalite jednotlivých zložiek, na hutnosti betónu, resp. na jeho pórovitosti. Na konečnú pevnosť má vplyv aj prostredie, v ktorom betón tvrdne, ošetrovanie behom tvrdnutia, spôsob urýchľovania tvrdnutia a ďalšie činitele. Pod konečnou pevnosťou betónu sa rozumie hodnota dosiahnutá po 28 dňoch tuhnutia a tvrdnutia. V skutočnosti táto hodnota nie je konečnou pevnosťou, pretože pevnosť betónu aj naďalej narastá. Podľa spôsobu namáhania rozoznávame pevnosť v tlaku, ťahu, ohybe (ťahu za ohybu), šmyku a krútení. Pevnosť v tlaku – kocková (valcová) pevnosť sa zisťuje na skúšobných kockách alebo valcoch predpísaných rozmerov. Podstatou skúšky je zaťažovanie skúšobného telesa tlakovou silou v univerzálnom skúšobnom stroji, až do úplného porušenia a výpočet najväčšieho dosiahnutého napätia betónu v tlaku. Podľa charakteristických kockových (valcových) pevností sa betóny označujú triedami [2]. V súlade s platnou normou STN EN 206-1 [5] sa obyčajné a ťažké betóny delia do 16 tried od C 8/10 až po C 100/115 Jednotlivé triedy betónov sú uvedené v tab. 1.
Na dosiahnutie najvyššej trvanlivosti je nutné použiť betón čo najhutnejší, vodotesný, prípadne prevzdušnený. Pokiaľ hutnosť nepostačuje, je nutné chrániť betón povrchovou úpravou. Vodotesnosť betónu je dôležitá vlastnosť hlavne pre vodné stavby, ale aj pre trvanlivosť všetkých stavieb, vystavených účinkom poveternosti. Na vodotesnosť betónu má vplyv najmä obsah zámesovej vody v betónovej zmesi a zhutnenie. Vodotesnosť je možné zvýšiť prísadami, za predpokladu, že betón je dôkladne spracovaný. Pripravuje sa z väčšej dávky cementu s nízkym hydratačným teplom a prevzdušňovacej prísady. Má mať nízky vodný súčiniteľ a zmes sa musí dobre zhutniť, aby zmrašťovanie v priebehu tuhnutia a tvrdnutia bolo čo najmenšie.
639
Tab. 1 Pevnostné triedy obyčajného a ťažkého betónu [5] Pevnostná trieda v tlaku
C 8/10 C 12/15 C 16/20 C 20/25 C 25/30 C 30/37 C 35/45 C 40/50 C 45/55 C 50/60 C 55/67 C 60/75 C 70/85 C 80/95 C 90/105 C 100/115
Minimálna charakteristická Minimálna charakteristická valcová pevnosť kocková pevnosť 2 fck,cyl (N/mm ) fck,cube (N/mm2) 8 10 12 15 16 20 20 25 25 30 30 37 35 45 40 50 45 55 50 60 55 67 60 75 70 85 80 95 90 105 100 115
Požiarnotechnické vlastnosti betónu
Betón je nehorľavý materiál, z hľadiska reakcie na oheň sa v zmysle Vyhlášky MVRR SR č. 158/2004 Z. z. [4], klasifikuje do triedy A1 a A1FL bez skúšania. Teploty vznikajúce pri požiari, či z iných príčin, však môžu značne ovplyvniť jeho charakteristiky. Dochádza tak k dočasným alebo trvalým zmenám mechanických i fyzikálnych vlastností. U portlandských cementov nastáva vplyvom vypudzovania vody ich zmrašťovanie, ktoré značne rastie pri teplotách do 500 °C. Zmrašťovanie je trvalého charakteru a spôsobuje na povrchu betónu trhlinky. Oveľa priaznivejšie sa chovajú betóny s cementom obsahujúcim struskové podiely a cementy s vyšším obsahom oxidu Al2O3, ktoré pri hydratácii netvoria vápenné hydráty [1]. Ovplyvnenie zmien vlastností betónu nárastom teploty je závislé taktiež na zmene vlastností použitého plniva v daných teplotných podmienkach. Rozdiel medzi tepelnými deformáciami spojiva (zmrašťovanie cementu) a plniva (zvyšovanie objemu u väčšiny používaných plnív) zapríčiňuje vznik miestnych napätí vo vzájomných dotykových plochách kameniva a cementovej malty. Zdrojom vnútorných napätí je taktiež tepelný prestup a postupné prehrievanie, ako i objemové zmeny jednotlivých vrstiev materiálu. Teplota ovplyvňuje ako pevnosť, tak i ostatné charakteristiky betónu. U vystuženého betónu má vplyv na jeho vlastnosti pri zvyšovaní teplôt okrem iného i súdržnosť betónu s výstužou. Pri zvyšovaní teplôt nad 100 °C sa hodnota teplotnej rozťažnosti u betónu a jeho výstuže postupne odlišuje, preto odolnosť 640
železobetónu voči teplotám požiaru je závislá na ochrane výstuže proti prehriatiu na kritickú teplotu (dostatočné krytie výstuže). Kritická teplota nepredpínanej oceľovej výstuže sa pohybuje okolo 470 °C [1]. Vplyv požiaru na nosnú funkciu prvkov z predpätého betónu je značne nepriaznivý, a to predovšetkým v dôsledku zmenšovania pevnosti a modulu pružnosti betónu a výstuže, zväčšovanie dotvarovania predpätej výstuže a zhoršovanie súdržnosti. To vedie k zmenšovaniu predpätia, čo spôsobuje vznik trhlín v ťahanej zóne betónu a pokles tuhosti konštrukcie. Preto nosná funkcia predpätého prvku vystaveného požiaru sa môže narušiť i pri menšom zaťažení, než je zaťaženie, pre ktoré je prvok navrhnutý. Za kritickú teplotu je približne považovaná teplota 350 °C [1]. Zvláštna pozornosť sa má venovať ochrane kotevných oblastí [8]. Nosnú funkciu ohrozuje odpraskávanie betónu. U betónových konštrukcií vystavených požiaru dochádza často už pri dĺžke trvania tepelného zaťaženia kratšej ako 20 minút, k odpraskávaniu povrchových vrstiev betónu s razantným, až explozívnym charakterom [1]. Je to spôsobené najmä rýchlou premenou vody na paru pri zvýšení jej objemu až 1100 násobne. Póry v betóne nezabezpečujú dostatok miesta na tak obrovský nárast objemu. V betóne vzniká tlak, ktorý má za následok „odstreľovanie“ z povrchu betónu. Nasleduje obnaženie výstuže a ďalšia degradácia betónu (obr. 1) [9]. Tým sa zmenšuje plocha prierezu železobetónového prvku, mení sa výstrednosť normálových síl, zmenšuje sa nosnosť konštrukcie, čo vedie často k náhlej deštrukcii. Hlavnou príčinou trvalého poškodenia už vychladnutého predpätého betónu po požiari býva pokles predpätia [1].
Obr. 1 Obnažená výstuž [9] V prípade potreby sa musí pomocou vhodných opatrení zabrániť explozívnemu odpraskávaniu betónu. Pokiaľ nie sú k dispozícii podrobnejšie údaje, je možné riziko explozívneho odpraskávania betónu hodnotiť na bezpečnej strane pomocou obr. 2. Pri podrobnejšom hodnotení sa vezme do úvahy obsah vlhkosti, druh kameniva, hrúbka prvku a vzrast tepla [8]. Pravdepodobnosť vzniku explozívneho odpraskávania betónu je nízka v prípadoch, keď menší z rozmerov priečneho rezu h alebo b v tlačenej oblasti 641
trámov, dosiek, stien a stĺpov spĺňa podmienky podľa obr. 2. Tlakové napätie betónu σc,fi sa stanoví pre kombináciu zaťaženia v požiarnej situácii pre priečny rez použitím požiadaviek podľa ENV 1992-1-1 [7].
Obr. 2 Závislosť medzi σc,fi a h (alebo b) pre hodnotenie nebezpečenstva výskytu explozívneho odpraskávania pri prvkoch z obyčajného betónu [8] oblasť 1 – nebezpečenstvo explozívneho odpraskávania, oblasť 2 – nebezpečenstvo explozívneho odpraskávania je nízka; a [mm] označuje menší z rozmerov h a b
Betónové konštrukcie v extrémnych podmienkach požiaru a ich ochrana Požiare v tuneloch spravidla vykazujú podstatne vyšší nárast teploty, a to za kratší čas než požiare v pozemnom staviteľstve. Pri veľkých požiaroch v budovách pozemných stavieb sa dosahuje teplota nad 1000 °C asi po 1,5 až 2 hodinách. Tomu zodpovedá normová teplotná krivka, podľa ktorej sa skúšajú stavebné konštrukcie pre pozemné stavby (krivka 1, obr. 3). Naproti tomu v tuneloch sa predpokladá rýchly nárast teploty – podľa nemeckých štandardov je to za 5 min. 1140 °C – 1350 °C. Toto šokové tepelné namáhanie betónovej konštrukcie spôsobuje jej deštrukciu (odstreľovanie betónu) [9]. Skutočné požiare v tuneloch preukázali, že drastické podmienky definované krivkou požiaru 3 podľa obr. 3 zodpovedajú realite.
642
Obr. 3 Krivky požiaru Po požiari v tuneli býva betón zničený do hĺbky 30 – 40 cm. Samozrejme že zdeformovaná a obnažená výstuž prestane plniť svoju funkciu. Odpadajúce kusy betónu zabraňujú hasičom a hasičskej technike vstup do tunela. Rekonštrukcia takto poškodenej konštrukcie je zložitá a náročná. Z uvedeného vyplýva, že betón a oceľ v tuneli potrebuje ochranu pred požiarom, resp. pred tepelným šokom [9]. Ochrana tunelovej rúry sa najčastejšie rieši protipožiarnymi obkladmi (napr. protipožiarne dosky PROMATECT) alebo špeciálnymi protipožiarnymi nástrekmi (BASF spol. s r.o.). Extrémne podmienky požiaru však môžu nastať za určitých podmienok aj v budovách pozemných stavieb, najčastejšie v podzemných hromadných garážach, resp. i v nadzemných garážach. Železobetónové stropné konštrukcie v týchto garážach je taktiež potrebné chrániť, pretože v opačnom prípade by mohlo dôjsť pri požiari k ich zrúteniu, čo by mohlo spôsobiť ďalekosiahle škody a straty na ľudských životoch.
Na zvýšenie požiarnej odolnosti betónových konštrukcií v praxi sa používa väčšinou ochrana mokrou technológiou (nástreky, omietky, prísady do betónu), alebo i suchou technológiou (obklady), pričom vždy pracujeme so záväznými podkladmi dodávateľa a vyhotovenie prác zveríme odborne spôsobilej firme. Protipožiarne omietky dosahujú mimoriadne protipožiarne účinky využitím endotermických vlastností hydrátu síranu vápenatého, ako základnej zložky zmesi a jeho spomaľovačov tuhnutia, v kombinácii s ľahkým plnivom a povrchovo aktívnymi látkami. Najčastejšie sa používajú na ochranu interiérových konštrukčných prvkov [2]. Z obkladových protipožiarnych 643
materiálov sú u nás najčastejšie používané sadrokartónové systémy RIGIPS, KNAUF a protipožiarne systémy PROMAT. Iné možnosti ochrany betónu Odpraskávanie betónu súvisí s jeho vlhkosťou. Pri vlhkosti betónu menšej než 3 % hmotnosti je nepravdepodobné, že dôjde k odpraskávaniu. Pri vyššej vlhkosti je potrebné prihliadnuť k typu kameniva, priepustnosti betónu a rýchlosti zahrievania. Predpokladá sa, že pri návrhu konštrukcie pre stupeň vplyvu prostredia X0 a XC1 podľa normy (EN 1992-1-1: 2004 [6]) je požiadavka vlhkosti do 3 % hmotnosti splnená. Pri splnení tabuľkových požiadaviek nie je potrebná ďalšia kontrola odpraskávania. Ak odpraskávanie nie je možné vylúčiť, je potrebné uvážiť stratu časti prierezu a overiť zníženú únosnosť prierezu [3].
Na impregnáciu betónu proti prenikaniu vody a zároveň zníženie jeho vlhkosti sa v súčasnosti používa kryštalická impregnácia Xypex. Xypex sa vyrába vo forme kompozitu z portlandského cementu, veľmi jemného kremičitého piesku a rôznych zvláštnych chemikálií. Po zmiešaní s vodou a po aplikovaní formou náteru, nástreku alebo zmiešaním prímesi priamo s betónovou zmesou vo výrobni, aktivované chemikálie v Xypex-e spôsobia katalickú reakciu, ktorá vytvára formácie nerozpustných kryštálov dendritických vlákien v póroch a kapilárach betónu (obr. 4). Táto chemická reakcia preniká do značnej hĺbky. Rýchlosť a hĺbka prerastania závisí hlavne od prítomnosti vody (Xypex viaže voľnú vodu v betóne) a teploty konštrukcie a nie od priľnavosti k betónovému povrchu, ako v prípade konvenčných povrchových úprav a nepriepustných náterov. Xypex je nehorľavý materiál, chráni betón a oceľovú výstuž pred oxidáciou, koróziou a poškodením, vnútorným pnutím pri značných zmenách teplôt. Dovolí betonárskej výstuži „dýchať“. Vytvorená kryštalická štruktúra v póroch obmedzí veľkosť vzduchových priestorov v betóne na také malé, že molekuly vody nimi nemôžu prejsť. Tieto priestory ale dovolia prechodu vzduchu, takže betón je schopný „dýchať“ a stať sa tak úplne suchým a zabránia koncentrácii vlhkosti [10]. Na základe uvedeného a ďalších už spomínaných skutočností v tomto príspevku možno predpokladať, že takýto betón bude zároveň odolný proti odpraskávaniu pri požiari. Výsledky skúšok, ktoré by to dokazovali však zatiaľ nie sú u nás známe. Odpadávanie betónu môže nastať v pokročilejšom štádiu požiaru u prvkov s menovitým krytím výstuže väčším než 70 mm, ak skúškami nebolo preukázané ináč. V týchto prípadoch je potrebné umiestniť pri povrchu betónu zvarovanú výstužnú sieť z prútov najmenej 4 mm s medzerami najviac 100 mm [3].
644
Obr. 4 Betón 26 dní po ošetrení Xypex-om Concentrate [10] (možno vidieť kryštalický rast v hĺbke 50 mm pod povrchom betónu)
Záver
V príspevku je ukázané, že navrhovaniu betónových konštrukcií na účinky požiaru je potrebné venovať čoraz väčšiu pozornosť a to z hľadiska jeho materiálového zloženia, technológie výroby a správneho dimenzovania nosných prvkov aj do podmienok vysokých teplôt, v závislosti od druhu a účelu stavby. Nové európske predpisy a stále sa zdokonaľujúce technológie výroby a ochrany betónových konštrukcií dávajú všetky predpoklady na to, aby boli bezpečné a spoľahlivé aj pred účinkami extrémnych teplôt pri požiari. Literatúra
[1] Bradáčová, I. a kol.: Stavby a jejich požární bezpečnost. Praha : Technická knižnice autorizovaného inženýra a technika, Nakladatelství ŠEL, s.r.o. , 1999, s. 264. ISBN 80-902697-2-9 [2] Kačíková, D. a kol.: Materiály v protipožiarnej ochrane. Vybrané kapitoly pre voľný ročník inžinierskeho študijného programu Hasičské a záchranárske služby. Zvolen : TU, 2005. 125 s. ISBN 80-228-1530-6 [3] Wald, F. a kol.: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí. Praha : Vydavatelství ČVUT, 2005, s. 336. ISBN 80-01-03157-8 [4] Vyhláška MVRR SR č. 158/2004 Z. z., ktorou sa ustanovujú skupiny stavebných výrobkov s určenými systémami preukazovania zhody a podrobnosti o používaní značiek zhody, v znení Vyhlášky MVRR SR č. 119/2006 Z. z. [5] STN EN 206-1 (73 2403) Betón. Časť 1: Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda (2002) + Zmena 1 06/04, A1 11/04 [6] EN 1992-1-1: 2004: Design of concrete structures, General rules and rules for buildings, konečný návrh, CEN, Brusel 2004
645
[7] ENV 1992-1-1: zavedená v STN P ENV 1992-1-1 Eurokód 2 Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby [8] STN P ENV 1992-1-2: Eurokód 2 Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-2: Všeobecné pravidlá – Navrhovanie konštrukcií na účinky požiaru [9] www.promat.sk [10] www.hydrosan.sk
646
Zavedení a praxe z provozu jednotného evropského čísla tísňového volání 112 v podmínkách společnosti Vodafone Czech Republic a.s. Ing. Martin TOMEK, Ing. Rudolf TESAŘ Vodafone Czech Republic a.s. Vinohradská 167, 100 00 Praha 10 Klíčová slova
Jednotné evropské číslo evropského volání, národní čísla tísňového volání, tísňové volání z mobilního telefonu, telekomunikační podpora HZS ČR při lokalizaci a identifikaci volajícího, zákon o elektronických komunikacích. Abstrakt
Příspěvek přináší informaci o zavádění, vývoji a poznatky z praxe se zavádění jednotného čísla evropského tísňového volání 112 v podmínkách mobilního telekomunikačního operátora společnosti Vodafone Czech Republic a.s. Úvod
Zákon o elektronických komunikacích č. 127/2005 Sb. [1] stanovil v ustanovení § 33 povinnosti pro podnikatele poskytující veřejně dostupnou telefonní službu v přístupu k jednotnému evropskému číslu tísňového volání a národním číslům tísňového volání. Ve svém příspěvku se chceme zaměřit na přiblížení realizace těchto požadavků v podmínkách mobilního operátora, společnosti Vodafone Czech Republic a.s. (dále jen VF CZ). V další části textu se zaměříme především na informaci odborné veřejnosti o provádění lokalizace a identifikace volajícího i aspekty spolupráci s HZS ČR Tísňové volání z mobilního telefonu
Síť rozlišuje dva typy volání: 1) Tísňové požadavky o spojení 2) Normální volání adresované číslem volaného Telefonní přístroj analyzuje volané číslo, a podle svého nastavení požádá síť o spojení podle bodu 1 (pro číslo 112, ale i 911, 07 ...) nebo podle bodu 2 (pro čísla 150,155, 158 ...)
647
V případě 1 síť nedostane informaci o volaném čísle ale pouze "emergency call setup request". Čísla jsou přednastavena pro spojení podle 1 v softwaru telefonu, existuje možnost tyto čísla definovat na SIM, nebo provádět update prostřednictvím radiového rozhraní při přihlašování do sítě. Díky identifikaci tísňového volání ze strany telefonu je možné tísňová volání oddělit od normálního provozu a zajistit prioritní přístup, pokud síť podporuje prioritizaci volání nebo přístup bez autorizace - volání bez SIM karty nebo z neregistrované karty. Podle standardu ETSI je možno doplnit příznak požadované služby (fire, police, coastal guard, ambulance ...), ale to se v současné době v ČR nepoužívá. Zpracování volání v síti - směrování tísňového volání
Účastník mobilní sítě odešle požadavek na sestavení tísňového volání. Ústředna mobilní sítě vyhodnotí, ze které buňky (vysílače) požadavek odešel, a podle toho provede překlad volaného čísla na příslušné centrum tísňového volání – Operační a informační středisko HZS ČR (dále TCTV) V české telefonní síti se používají ke směrování hovorů speciální Network routing number předvolby, což jsou hexadecimální čísla, která není možno volit na koncovém účastnickém zařízení. Podle této předvolby je hovor přes tranzitní síť doručen na příslušné TCTV. Pokud je centrum nedostupné, volání se přesměruje na záložní centrum. Předání lokalizace volajícího: Po předání lokalizace je potřeba definovat datový kanál, kterým se budou lokalizační data předávat na TCTV. V ČR se používá pro mobilní sítě pouze telefonní signalizace, v některých zemích, kde mají požadavky na přesnější lokalizaci, existují mezi systémy operátora a TCTV doplňkové datové kanály. V ČR se tento princip používá ve fixní síti (systém INFO35). Lokalizace odpovídající pokrytí jedné nebo více základnových stanic je vložena jako parametr do zprávy IAM (initial address message) zajišťující sestavení volání mezi telefonními ústřednami. Sítě Telefonica O2 a T-Mobile používají suffix volaného čísla, síť VF CZ používá parametr Location number v signalizaci SS7 ISUP, který se ale nemapuje do telefonní signalizace DSS1, kterou jsou připojeny TCTV, proto se na propojovacích bodech nastavil speciální filtr, který převádí parametr Location number do parametru UUS „User to user signalling“ - meziuživatelská signalizace, který se doručí až do koncového zařízeni. TCTV disponuje expertním software, který zpracovává parametry doručené v signalizaci. (Identifikace volajícího, volané číslo, 648
identifikace sítě ve které vzniklo volání, lokalizace volajícího). Informace o lokalitě volání – parametr location number
Každá buňka mobilní sítě Vodafone je identifikována parametrem Location number, který přenáší informaci o souřadnicích WGS84, kde je umístěn vysílač základnové stanice, Dále použitém frekvenčním pásmu, azimutu – směru vyzařování antén, přibližném dosahu vysílače, vnějším nebo vnitřním umístění, např. v obchodních a sportovních centrech, tunelech nebo metru. Pro názornost můžeme aplikaci demonstrovat z testování na území hl. m. Prahy za využití nástrojů dohledového centra sítě [2]: 1. Stanice Metra A Muzeum Datum: 16.8.07 Čas: 09:44:11 Délka hov.: 00:00:49 MSISDN: 608 014 658 Longitude: 14.4283334 Latitude: 50.0743028 Azimuth: 0 Frequence: 900 Ulice: Na bojišti – Metro Město: Praha 2 Trasa: Dejvická x Muzeum Upr. lokality: Muzeum A 2. Sazka Aréna Datum: Čas: Délka hov.: MSISDN: Longitude: Latitude: Azimuth: Freguence: Ulice: Město: Úpr. lokality:
16.8.07 14:50:38 00:01:00 608014658 14.4941666 50.1063889 280 1800 Ocelářské 35 Praha 9 bez úpravy
Zpřesnění oblasti původu volání
Pro správné nastavení parametru – dosah buňky je potřeba vést korektní databázi všech vysílačů, dále vytvořit mapu pokrytí signálem jednotlivých 649
vysílačů a to pravidelně aktualizovanou. Současně s tím provádět měření praktického dosahu a distribuce vzdálenosti volání v jednotlivých buňkách. S ohledem na vlivy terénu je možné vytvořit mapy pokrytí jednotlivých vysílačů včetně textového popisu, systém TCTV to podporuje, a ty nahrát do expertní databáze TCTV, a spárovat s identifikátorem Location number. Zpětná lokalizace
Systém umožňuje také při spolupráci s operátorem předat informaci o lokalitě mobilní stanice v případě pasivního volání. Tj. volaná stanice nevolá, ale je volána z TCTV a má nastaveno podmíněné přesměrování na TCTV (operátor na žádost nastaví). Podpora ze strany operátora
Přes uvedené možnosti se v praxi stává, že operátor TCTV není schopen pomocí obdržených údajů a příslušných nástrojů přesně a hlavně rychle identifikovat člověka v tísni. Z těchto důvodů nabídla společnost VF CZ krátce po nabytí účinnosti zákona č. 127/2005 Sb. GŘ HZS ČR uzavření smlouvy o spolupráci, která zahrnovala potřebnou bázi, specifikace a rozsah řešení vzájemných požadavků a jedním s cílů dohody bylo zajištění pružné reakce příslušným pracovištěm mobilního operátora na zpřesnění údajů potřebných k lokalizaci a identifikaci člověka v tísni. Tato smlouva byla ještě v roce 2005 uzavřena [3]. Později byly obdobné smlouvy uzavřeny i s druhými mobilními operátory. Telekomunikační podporu tísňovému volání zabezpečuje ve společnosti VF CZ Dohledové centrum sítě, které poskytuje tyto služby nepřetržitě a je schopno zajistit doplňkové informace pro krizové situace při zpracování tísňového volání na TCTV. Některé používané nástroje jsou uvedeny dále. Zpřesnění lokalizace
Pro lepší zpřesnění lokalizace je možné zajistit získání a zpracování doplňkových síťových dat, jako je TA (timing advance) vzdálenost od aktivního vysílače v krocích po cca 500m, úroveň signálu sedmi sousedních vysílačů. V některých zemích je tato lokalizace povinná pro zpracování tísňového volání. Operátor musí do sítě instalovat zařízení LBS (Location based service), které uvedené data zpracovává a předává dedikovaným datovým kanálem jako součást tísňového volání na TCTV. Pokud je terminál vybaven přijímačem GPS, existuje možnost získat souřadnice přímo z telefonu.
650
Identifikace volání bez SIM karty - IMEI
V případě volání bez SIM karty ústředny vloží patnáctimístné IMEI (International mobile equipment identity) místo čísla volajícího. Expertní software na základě délky čísla vyhodnotí, že se jedná o IMEI. Tato funkce je důležitá, protože pomáhá identifikovat volajícího, a případně eliminovat zlomyslná volání, což podle statistické ročenky HZS ČR za rok 2006 dosahovalo až 80% na čísle 112 z celkového počtu 5 052 836 uskutečněných tísňových volání na TCTV 112 [4]. Vyhodnocení statistik – spolehlivost
Ze statistickým měření v síti vyplývá, že TCTV zajišťuje největší spolehlivost při příjmu volání, na rozdíl od regionálních linek tísňového volání jako 155, 156 nebo 158, že není zajištěno zpracování volání na 100%. Příčinu hledejme dle našeho názoru zejména v: 1) 2) 3) 4) 5) 6)
nedostatečné kapacitě přípojných linek nezálohování přelivem na jiné centrum zřejmě není monitorován výkon operátorů nedostatečné jazykové znalosti operátorů nižší úroveň spolupráce mezi jednotlivými pracovišti tísňového volání absence jednotné vize a strategie zpracování tísňového volání
Závěr
Cílem našeho příspěvku bylo navázat na naší přednášku z akce „MOSTY“ pořádané v roce 2005 HZS hl. m. Prahy [5] v Sazka Aréně a přiblížit širší odborné veřejnosti informace o způsobech a systému telekomunikační podpory tísňového volání 112 v podmínkách společnosti VF CZ. Rádi bychom také poděkovali za zájem a prohlubování efektivní spolupráce a výměnu informací plk. Ing. Luďku Prudilovi z GŘ HZS ČR a plk. Bc. Oldřichu Gosmanovi z HZS hl. m. Prahy, kteří se vydatně podílejí na dalším vývoji a rozvoji těchto služeb ve prospěch veřejnosti a směřující k neustálému zdokonalování systému ochrany života a zdraví osob na úseku telekomunikací v kooperaci s poskytovateli těchto služeb a příslušnými institucemi. Použitá literatura
[1] Zákon č. 127/2005 Sb., o elektronických komunikacích [2] Záznam testovacích hovorů na linku 112 z 16.8. 2007 [3] Smlouva o spolupráci mezi GŘ HZS ČR a společností VF CZ [4] Statistická ročenka 2006 HZS ČR 651
[5] Přednáška Mosty 2005 „Telekomunikační podpora složkám IZS“ Ing. Martin Tomek a Ing. Rudolf Tesař VF CZ
652
Vzájomná znášanlivosť nebezpečných chemických látok Doc. Ing. Ivana TUREKOVÁ, PhD. Prof. Ing. Karol BALOG, PhD. Ing. Marián OČENÁŠ Slovenská technická univerzita, Materiálovotechnologická fakulta v Trnave Paulínska 16, 917 24 Trnava e-mail:
[email protected],
[email protected] Kľúčové slová
Chemická látka a chemický prípravok, znášanlivosť, závažná priemyselná havária Abstrakt
Chemické látky sú nebezpečné samy o sebe. Pri požiari, výbuchu alebo strate kontroly nad nebezpečnou látkou môže dôjsť k ich vzájomnému zmiešaniu a tým k reakciám, ktoré sú pri bežných prevádzkových podmienkach netypické. Takýto stav potom môže viesť až k závažnej priemyselnej havárii. Preto musí byt prioritou každého prevádzkovateľa podniku, kde sa takéto nebezpečné chemické látky a prípravky nachádzajú, prevencia. Súčasťou preventívnych opatrení je posudzovanie vzájomnej znášanlivosti látok nielen za normálnych podmienok, ale aj zmenených podmienok výrobného procesu. Súčasná slovenská legislatíva neurčuje jednotný postup na posúdenie tejto skutočnosti. V príspevku sú rozobrané dve metodiky posúdenia kompatibility látok a výhody a nevýhody metód pre vybrané látky. Legislatívny rámec závažných priemyselných havárií
Zákon o prevencii závažných priemyselných havárií je prvým slovenským legislatívnym predpisom, ktorý rieši vzťah závažných priemyselných havárií k ochrane života a zdravia, ale tiež environmentu v prípade iniciovania havárie. Vzájomnú prepojenosť slovenských legislatívnych predpisov popisuje obr. 1. Ohrozenie nebezpečnými látkami
Dôležitým prvkom pre akúkoľvek manipuláciu s nebezpečnými chemickými látkami je znalosť ich vlastností. Faktory ohrozenia sú: • • • •
ohrozenie výbuchom, ohrozenie požiarom, nebezpečné chemické reakcie, nebezpečenstvo ohrozenia zdravia toxickými látkami.
653
Obr. 1 Prepojenie zákona o haváriách s legislatívou Ohrozenie výbuchom
Explozívne a výbušné sú všetky látky, ktoré majú nestabilnú chemickú štruktúru a sú schopné sa rýchlo rozkladať, následkom čoho dochádza k výbuchovej reakcii. Explozívne látky sa delia do dvoch skupín. Látky, ktoré potrebujú na rozklad silnú iniciáciu (teplom, nárazom, iskrou, nežiaducou chemickou reakciou) a látky, ktoré sa rozkladajú samovoľne. Škodlivé dôsledky výbuchu na človeka sú:
654
• tlaková vlna ohrozujúca človeka mechanickými účinkami (už pri pretlaku 100 kPa sú poškodené pľúca), • možný toxický účinok rozkladných produktov ako sprievodný jav výbuchu, • popálenie, • vysoká prašnosť, • vysoká úroveň impulzného hluku. Nežiaduci účinok výbuchu je spojený s tlakovou vlnou, mechanickými účinkami i na neživé objekty, napríklad budovy. Okrem samotného výbuchu sú nebezpečné ešte ďalšie efekty, ktoré môžu vyvolať požiar, kontamináciu okolia nebezpečnými látkami. Ohrozenie požiarom a popálenie
Požiar môže vzniknúť spolupôsobením horľavých látok (plyny, kvapaliny, pevné látky) a kyslíka, prípadne iných oxidačných činidiel. Presnejšia charakteristika horľavých látok podľa zákona o prevencii závažných priemyselných havárií uvádza, že sú to látky, ktoré môžeme členiť do štyroch kategórií (viď. tab. 1) [1, 2, 3]. Tab. 1 Kategórie horľavých látok [2] Kategória Horľavé kvapaliny
Veľmi horľavé
Veľmi horľavé kvapaliny
Mimoriadne horľavé
Definícia chemické látky alebo chemické prípravky, ktorých bod vzplanutia sa rovná alebo je väčší ako 21 °C a menší alebo sa rovná 55 °C (označenie špecifického rizika R10), podporujúce horenie. chemické látky alebo chemické prípravky, ktoré sa môžu zohriať a vznietiť v kontakte so vzduchom pri teplote okolia bez dodania energie (označenie špecifického rizika R17), ako aj chemické látky a chemické prípravky, ktoré majú bod vzplanutia menší ako 55 °C a pod tlakom zostávajú kvapalné, ak osobitné prevádzkové podmienky, ako sú vysoký tlak alebo vysoká teplota, môžu spôsobiť nebezpečenstvo závažnej priemyselnej havárie. chemické látky a chemické prípravky, ktorých bod vzplanutia je menší ako 21 °C a ktoré nie sú mimoriadne horľavé (označenie špecifického rizika R11 druhá pomlčka). a) kvapalné chemické látky a kvapalné chemické prípravky, ktorých bod vzplanutia je menší ako 0 °C a ktorých bod varu (alebo v prípade destilačného rozmedzia počiatočný bod varu) je pri normálnom tlaku menší alebo sa rovná 35 °C (označenie špecifického rizika R12 prvá pomlčka) b) plyny, ktoré sú horľavé pri kontakte so vzduchom pri okolitej teplote a tlaku (označenie špecifického rizika R12 druhá pomlčka), ktoré sú v plynnom alebo superkritickom stave horľavé a veľmi horľavé kvapalné chemické látky a kvapalné chemické prípravky udržiavané na teplote vyššej ako je ich bod varu
655
Nebezpečné chemické reakcie
Medzi nebezpečné chemické reakcie sa zaraďujú všetky zmeny látok pri pôsobení fyzikálnych vplyvov (nestále látky), pri rozpúšťaní (nemení sa chemická štruktúra látky), pri ktorých sa uvoľňuje veľké množstvo tepla, alebo vznikajú látky, ktoré môžu byť výbušné, horľavé, korozívne, prípadne rôznym spôsobom toxické. Nebezpečné reakcie môžeme rozdeliť do štyroch skupín: • • • •
reakcie s toxickými látkami, reakcie s horľavinami, rýchlo prebiehajúce reakcie, kombinácia uvedených procesov.
Presné údaje o konkrétnom nebezpečenstve a ohrození je možné získať z rôznych chemických databáz o vlastnostiach látok. Nestálosť látok sa môže hodnotiť podľa koeficienta reaktivity, čo je pomer zmeny reaktivity na zmene jedného z parametrov (teplota, tlak, výkon) [1]. Vzájomná nezlúčiteľnosť chemických látok
Chemické látky vytvárajú nebezpečenstvo samé, ale niektoré vykazujú zvláštne riziká pri zmiešaní s inými. Táto vlastnosť - chemická reaktivita, je potenciálnym zdrojom rôznych ohrození pri manipulácii s týmito látkami. Pri týchto reakciách nastáva aj uvoľnenie iných produktov. Tento problém je dôkladne preštudovaný aj vďaka nehodám, ktoré vznikli v dôsledku nekontrolovaných chemických reakcií [4, 5]. Na základe podobných udalostí a poznatkov sa vyvíjali a zdokonaľovali rôzne systémy na identifikáciu nezlúčiteľnosti, chemických látok. Tieto systémy sú prispôsobené rôznym pracovným činnostiam a sú založené na rôznych princípoch. Prvý systém pre bezpečnú manipuláciu s nezlúčiteľnými chemikáliami je založený na klasifikácii látok podľa OSN. Je to medzinárodne platný systém, ktorý rozdeľuje nebezpečné látky do deviatich tried a niekoľkých podtried. Tieto zahŕňajú v širšom zmysle hlavné skupiny chemických látok. Pri tvorbe tejto kategorizácie boli za hlavné vlastnosti vybrané horľavosť a výbušnosť (tab. 2).
656
Tab. 2 Nezlúčiteľnosť chemických látok podľa zatriedenia [4] 1
Trieda 1
1
2
Trieda 2.1
N
2
3
Trieda 2.2
N
A
3
4
Trieda 2.3
N
A
A
4
5
Trieda 3
N
A
A
A
5
6
Trieda 4.1
N
N
A
A
A
6
7
Trieda 4.2
N
N
N
N
N
N
7
8
Trieda 4.3
N
N
A
A
A
A
A
8
9
Trieda 5.1
N
N
A
N
N
N
A
A
9
10 Trieda 5.2
N
N
N
N
N
N
A
A
N
10
11 Trieda 6
N
A
A
A
A
A
A
A
A
A
11
12 Trieda 7 13 Trieda 8
N
N
A
A
N
N
N
N
N
N
A
12
N
A
A
A
A
A
A
N
N
N
A
N
13
14 Trieda 9
N
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
Legenda: A – áno (zlúčiteľné) N – nie (nezlúčiteľné)
14
Uvedený systém má niekoľko nevýhod: 1. Klasifikácia je založená na fyzikálnych, nie chemických vlastnostiach 2. Klasifikácia je príliš široká, napr. v triede 8 (korozívne látky) sú zahrnuté kyseliny aj zásady, ktoré sú v mnohých prípadoch nezlúčiteľné a nesmú byť skladované spoločne Druhý systém nezlúčiteľnosti chemických látok podľa Hatayamu (tab. 3) bol pôvodne vyvinutý pre nebezpečné odpady. Je založený na environmentálnych vlastnostiach, ale využíva aj chemické a fyzikálne vlastnosti. Zo všetkých systémov je najpodrobnejší, keďže poskytuje aj informáciu o tom, aké druhy nebezpečenstva môžu vzniknúť pri nevhodnej kombinácii chemických látok (tab. 3) [4].
657
Tab. 3 Systém nezlúčiteľnosti podľa Hatayamu [4]
Časté problémy so skladovaním v laboratóriách môžu viesť k miešaniu nekompatibilných chemických látok. Najvážnejším je skladovanie kyselín (zvlášť oxidujúcich kyselín) s horľavými rozpúšťadlami, lebo ich kontakt môže vyústiť do požiaru alebo explózii. Skladovanie chemikálií v abecednom poradí na policiach alebo v skriniach často vedie k spoločnému skladovaniu 658
nekompatibilných chemických látok. Napríklad, abecedné usporiadanie môže viesť k tomu, že fluór je skladovaný vedľa formaldehydu [5]. Na riešenie tohto problému vyvinulo Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory systém matice nezlúčiteľnosti chemických látok (tab. 4). Táto matica obsahuje skupiny látok, ktoré sa najčastejšie vyskytujú v laboratóriu. Je vhodná pre malé objemy chemických látok a prakticky je nepoužiteľná pre veľké podniky a sklady.
Jedy, anorganické
Jedy, organické
Látky reagujúce s vodou
Organické rozpúšťadlá
X
X
X
X
X
Kyseliny, oxidujúce
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Kyseliny, organické
X
X
Alkálie (Zásady)
X
X
Oxidačné činidlá
X
Oxidačné činidlá
Alkálie (Zásady)
X
Kyseliny, oxidujúce
Kyseliny, anorganické
Kyseliny, anorganické
Kyseliny, organické
Tab. 4 Matica nezlúčiteľnosti chemických látok [6]
X
Jedy, anorganické
X
X
X
Jedy, organické
X
X
X
X
X
X
Látky reagujúce s vodou
X
X
X
X
X
X
Organické rozpúšťadlá
X
X
X
X
X
kde: X = nezlúčiteľné – neskladujte spolu. Nemecký zväz chemického priemyslu vydal v roku 1998 Koncept pre spoluskladovanie chemických látok. Tento koncept obsahuje systém (tab. 5) a algoritmus postupu pre posúdenie zlúčiteľnosti chemických látok. Nevýhodou tohto systému je, že je postavený na nemeckých zákonoch a smerniciach, čím je prakticky nepoužiteľný v iných krajinách. Látky sa v tomto systéme delia do 13tich tried, pričom sa niektoré triedy delia ešte na podtriedy. Použitím tohto systému môžeme dostať tri druhy výsledkov: spoluskladovanie je dovolené, spoluskladovanie je dovolené len obmedzene (je možné pri dodržaní určitých podmienok) alebo je nutné separované skladovanie [7, 8].
659
Tab. 5 Zlúčiteľnosť látok podľa konceptu pre spoluskladovanie chemických látok [7] 660
Posúdenie znášanlivosti vybraných látok
Bolo vybraných 36 látok na ktoré boli aplikované oba systémy klasifikácia podľa OSN (tab. 6) a systém nezlúčiteľnosti chemických látok podľa Hatayamu (tab. 7). Pri klasifikácii a ich zatriedení látok sa vychádzalo z Kariet bezpečnostných údajov. Tab. 6 Adaptovaný OSN systém
Trieda 3
Trieda 5.1 Trieda 6
Trieda 8
Acetón Butylacetát Cyklohexán (hexol) Izopropylaklohol Metyketylketón Octan etylnatý Toluén Riedidlo C 6000
Trieda 3
Peroxid. vodíka 35% Metylénchlorid Trichlóretylén Perchlóretylén Acetanhydrid Formaldehyd tech. Hydrogénsiričitan sodný Hydroxid sodný tekutý Chlorid železitý Chlórnan sodný Kys. dusičná Kys. fosforečná Kys. chlorovodíková min 31% Kys. mravčia 85% Kys. octová 99% Kys. peroxyoctová Kys. sírová akum. min 32% Kys. sírová tech. min 94% Síran železitý Síran hlinitý 40% roztok
661
N
Trieda 5.1
A
A
Trieda 6
A
N
A
Trieda 8
Tab. 7 Adaptovaný Hatayamov systém
Zo všetkých 36 posudzovaných látok neboli 2 látky zatriedené a spracované ani jedným zo systémov (chlorid vápenatý roztok a vodné sklo sodné tekuté).Ostatné chemické látky a prípravky boli spracované aspoň jedným zo systémov. Zhodnotenie
Každý z hodnotených systémov má pozitíva aj negatíva. Prvý systém založený na klasifikácii látok podľa OSN má niekoľko nevýhod: 1. klasifikácia je založená na fyzikálnych, nie chemických vlastnostiach, 2. klasifikácia je príliš široká, napr. v triede 8 (korozívne látky) sú zahrnuté kyseliny aj zásady, ktoré sú v mnohých prípadoch nezlúčiteľné a nesmú byť skladované spoločne, 3. nie všetky chemické látky a prípravky je možné jednoznačne zatriediť; problém vzniká najmä pri chemických prípravkoch, ktoré obsahujú viacero nebezpečných chemických látok,
662
4. nie všetky chemické látky a prípravky sú klasifikované podľa OSN do tried, najmä nie nové chemické látky a prípravky. Výhodou systému je jednoduchosť, rýchlosť a nevyžaduje špeciálne vedomosti v oblasti chémie. Druhý systém nezlúčiteľnosti podľa Hatayamu má nasledovné nevýhody: 1. vyžaduje značné znalosti v oblasti chémie, 2. je v ňom obtiažne zatriediť chemické prípravky, 3. je časovo náročnejší. Má však značné výhody oproti predchádzajúcemu systému a to: 1. využíva chemické, fyzikálne a environmentálne vlastnosti chemických látok, 2. okrem nezlúčiteľnosti chemických látok poskytuje aj informácie o nebezpečenstvách ich nevhodnej kombinácie, 3. kyseliny rozdeľuje na minerálne oxidačné, minerálne neoxidačné a organické, čím umožňuje stanoviť nebezpečenstvá vyplývajúce z ich nevhodnej kombinácie, napr. kyselinu fosforečnú nie je vhodné zlučovať s kyselinou mravčou, pretože pri ich zmiešaní dochádza k vývinu tepla a k uvoľňovaniu plynov, 4. na rozdiel od systému založenom na klasifikácii chemických látok podľa OSN tento systém oddeľuje zásady od kyselín, 5. tento systém je pri identifikácii nezlúčiteľnosti chemických látok presnejší a jednoznačnejší oproti prvému systému. Záver
V príspevku boli rozobraté dva systémami pre identifikáciu znášanlivosti chemických látok a prípravkov. Jeden bol založený na klasifikácii látok podľa OSN, druhý na nezlúčiteľnosti chemických látok podľa Hatayamu. Oba systémy majú svoje výhody i nevýhody, ale všeobecne pre ne platí, že výrazne uľahčujú identifikáciu zlúčiteľnosti, resp. nezlúčiteľnosti chemických látok a prípravkov. To má význam najmä pri skladovaní a manipulácii s takýmito látkami, pretože ak vieme identifikovať nebezpečenstvo hroziace v prípade nevhodnej kombinácie chemických látok, vieme mu predchádzať. Zoznam bibliografických odkazov
[1] ŠENOVSKÝ, M., et al.. Nebezpečné látky II. Ostrava : SPBI SPEKTRUM, 2004. 190 s. ISBN 80-86634-47-7 [2] Zákon č. 261/2002 Z.z. o prevencii závažných priemyselných havárií a o zmene a doplnení niektorých zákonov
663
[3] Zákon č. 277/2005 Z.z., ktorým sa mení a dopĺňa zákon 261/2002 o prevencii závažných priemyselných havárií a o zmene a doplnení niektorých zákonov [4] BALOG, K., TUREKOVÁ, I. Priemyselná toxikológia. Bratislava : STU, 2005. 160 s. ISBN 80-227-2337-1 [5] SOLDÁNOVÁ, Zuzana. Bezpečná manipulácia s nezlučiteľnými chemickými látkami. In ARPOS, 2004, č. 16-17, s. 34 – 35. ISSN 13355910 [6] Ernest Orlando Lawrence Berkeley national laboratory. Chemical storage guidelines. [online]. [cit. 2007-05-09]. Dostupné na internete <: http://www.lbl.gov/ehs/chsp/html/storage.shtm/. > [7] VERBAND DER CHEMISCHEN INDUSTRIE e.V. Konzept für die Zusammenlagerun von chemikalien. 1998. 30 s [8] YEN-SHAN LIU, WILLIAM J. ROGERS, M. SAM MANNAN. Effective and practical tools for screening reactive hazards. In CEP magazine [online]. 5/2006 [cit. 2007-04-17]. Dostupné na internete: http://people.clarkson.edu/~wilcox/Design/reac-haz.pdf. >
664
Securitologie jako bezpečnostní věda Ing. Jarmil VALÁŠEK, Ph.D. MV-GŘ HZS ČR, Institut ochrany obyvatelstva Lázně Bohdaneč Tel.: 950580300, fax: 466921153 e-mail:
[email protected] Abstrakt
Hrozby provázejí člověka celou dobu jeho existence. Dosažený reálný stav lidské společnosti si vynucuje vytvoření základů securitologie jako vědy pracující s riziky společenského vývoje. Každá vědní disciplína je definována svým předmětem, lišícím se různým přístupem k realitě, svojí obecností, strukturou, časem, abstraktností apod. Nauka či věda o bezpečnosti, tzv. securitologie se zabývá aplikovaným, uvědomělým a řízeným zkoumáním bezpečnosti systému. Definovaným systémem může být prvek kritické infrastruktury, výrobní objekt, obec, stát atd. Klíčová slova:
bezpečnostní věda, bezpečnostní výzkum, hrozba, securitologie. Abstract:
The threats have guided a human whole time his existence. An achieved real state of the human society needs the base of securitologie like the science working with diversifications social development. Every of science discipline is defined by its subject, by different access to reality, by commonness, by structure, by time, by discreteness et. Science about security so-called securitologie deal with applied, conscious and controlled investigation of the security system. Defined system can be element critical infrastructure, production object, municipality, state and so on. Key words:
security science, security research, threat, securitologie. Text
Hrozby provázejí člověka celou dobu jeho existence. V řadě starozákonních textů nalezneme zjevné zmínky o katastrofách, které postihly Zemi a zejména její obyvatele v dávnověku, prakticky však nanejvýš několik tisíc let před počátkem křesťanského letopočtu. Některé z nich lze považovat spíše za symbolickou ilustraci biblického textu, ale jiné mají velmi pravděpodobně reálný základ. Úvahy o bezpečnosti a z toho plynoucí praktická opatření a jednání jsou součástí lidské historie od ranných počátků lidstva. Tyto úvahy vždy korespondovaly s dosaženou technologickou a materiální úrovní a s 665
úrovní poznání. Dosažený reálný stav lidské společnosti si vynucuje vytvoření základů securitologie jako vědy pracující s riziky společenského vývoje. Securitologie neboli věda zabývající se bezpečností, se stává významným nástrojem pro veřejnou správu. Problém jejího konstituování je však složitější, protože vědeckou disciplinu nelze „nařídit“ nebo vyhlásit. Věda je výsledkem posloupnosti DO IT (Definice problému Observace a sběr dat Implementace strategii výzkumu Testování hypotéz). Každá věda musí mít teorii, která jednak usměrňuje výzkum a jednak organizuje fakta z výzkumu do systému konceptů a znalostí. Bezpečnostní výzkum se orientuje na odhalování nových prvků zkoumaného jevu, na zjištění takových jeho vlastností a tendencí, které se dosud v teorii a praxi neprojevily. Poznatky získané prostřednictvím bezpečnostního výzkumu je možné s jistou podmíněností členit na empirické a teoretické podle toho, jakou rovinu odrazu objektivních procesů bezpečnosti státu a jeho obyvatel představují. Zatímco empirická rovina poznatků je odrazem jednotlivých jevů, v nichž nejnázorněji vycházejí najevo souvislosti a vztahy mezi nimi, v teoretických poznatcích se projevuje podstata procesů bezpečnosti, zákony, které jsou jejich základem, nové směry ve vývoji jednotlivých oblastí bezpečnosti atd. Podle charakteru poznatků obsažených v bezpečnostní teorii se bezpečnostní výzkum dělí na empirický a teoretický. Účelem empirického bezpečnostního výzkumu je shromažďování nového faktografického materiálu, jeho objasnění a zobecnění v rámci existující teorie. V současných podmínkách, kdy se bezpečnost vyvíjí neobyčejně dynamicky, má empirický výzkum zvlášť široké místo. Čím je praxe bohatší, tím rychleji může securitologie, jako bezpečnostní věda, shromažďovat potřebné množství faktů tvořících empirickou základnu zdokonalování teorie a jejího rozvoje. Teoretický bezpečnostní výzkum, založený na empirickém materiálu, je zaměřen na odhalování vnitřní podstaty bezpečnostních jevů, objektivních zákonů a zákonitostí bezpečnosti státu a jeho obyvatel, forem jejich projevu a mechanismu jejich působení. K teoretickému výzkumu náleží také vymezování a vědecké zdůvodňování zásadně nových směrů vývoje bezpečnostní teorie a praxe, hledání co nejúčinnějších forem a způsobů strategické, operační i taktické činnosti prvků bezpečnostního systému, zdokonalování metod odhalování možných hrozeb atd. Je nezpochybnitelné, že vytvoření a kontrola bezpečného prostředí klade na veřejnou správu vyšší odborné nároky, vyžadující využití postupu, jenž by měl mít znaky vědeckého přístupu. Složitost současné společnosti vyvíjí tlak na to, aby veřejná správa měla nástroje, nejlépe soubor nástrojů, které by ji umožnily využívat poznatků vědy k formulaci integrované ochrany společnosti (integrace jako propojení různých požadavků, potřeb a hledisek, ochrana jako soubor opatření zajištujících bezpečné prostředí, společnost jako soubor různých prostředí – socio-technické, sociální, socio-ekologické apod.) Nemůže se však jednat o svébytnou vědeckou disciplinu, protože cíle a role veřejné správy a vědy se liší. Securitologie jako věda zabývající se bezpečností, nemůže být zatěžována problémy každodennosti. Vznik securitologie je logickou reakcí na 666
vývoj moderní lidské společnosti v návaznosti na komplexně pojaté chápání bezpečnosti jako celku. Každá vědní disciplína je definována svým předmětem, lišícím se různým přístupem k realitě, svojí obecností, strukturou, časem, abstraktností apod. Nauka či věda o bezpečnosti, tzv. securitologie se zabývá aplikovaným, uvědomělým a řízeným zkoumáním bezpečnosti systému. Definovaným systémem může být prvek kritické infrastruktury, výrobní objekt, obec, stát atd. Obsahem zkoumání je vyjádření přijatelných, objektivně hodnotitelných (měřitelných) parametrů bezpečnostního prostředí, jako reálného výsledku působení bezpečnostní politiky a bezpečnostního systému. Bezpečnost je pojímána jako žádoucí stav, kdy jsou na nejnižší míru snížena rizika pro ČR plynoucí z hrozeb vůči: obyvatelstvu, svrchovanosti a územní celistvosti, demokratickému zřízení a principům právního státu, vnitřnímu pořádku, majetku, životnímu prostředí, plnění mezinárodních bezpečnostních závazků a dalším definovaným zájmům. Obsah současné securitologie, v němž se objektivně a v úplnosti odrážejí procesy vyplývající z bezpečnostních hrozeb, je založen na všestranném předvídání aspektů bezpečnostních hrozeb. Tento úkol je velmi obtížný, neboť předvídání je vůbec složitý proces a zvlášť v oblasti bezpečnostního prostředí, v němž mohou mnohé činitele předvídání ztížit, vznést na ně řadu dodatečných požadavků vyžadujících hluboké znalosti řady vědních disciplín. Položení základů securitologie zahrnuje rozpracování širšího pojetí bezpečnosti a shrnutí obecných poznatků relevantních vědních disciplín významných pro tvorbu gnoseologické základny této nové vědní disciplíny, na nichž by bylo založeno další teoretické zkoumání a empirický výzkum. Vývoj vědy je tvůrčím procesem, jejím obohacováním o nové poznatky, které nikdy nevznikají naráz, a tím méně v definitivní podobě. Získání nového poznatku není jednorázovým aktem. Je to složitý proces, který má určitou logickou posloupnost odpovídající postupnému charakteru vývoje forem vědeckých poznatků, z nichž každá opět má svou logiku vývoje. Logika vědeckého výzkumu je logickou posloupností výzkumné činnosti, jejíž dodržování zabezpečuje co nejefektivnější řešení vědeckého problému. Obecná definice teorie a určení jejího místa v systému vědeckých poznatků, jejích znaků charakterizujících její obsah se týká i bezpečnostní teorie. Ta je formou věrohodných vědeckých poznatků o určitém souboru objektů v široké oblasti bezpečnosti, které tvoří sytém pojmů, kategorií, zákonů, principů plnících funkci objasňování, předvídání a funkci metodologickou. Naléhavost budování securitologie vyplývá z potencionálních hrozeb, které lze v zásadě rozdělit do dvou skupin, a to na : A) přírodní hrozby, B) lidmi způsobené (vyvolané) hrozby.
667
Mezi přírodní hrozby lze zařadit: • oslabení ochranné ozónové vrstvy v atmosféře a průnik silného kosmického záření do biosféry, extrémně silná sluneční aktivita (protuberance), magnetické bouře, magnetické anomálie v horninovém prostředí i v prostoru nad ním, srážky s meteority a jinými přírodními kosmickými předměty (planetky, komety), • posuvy zemských ker tvořících litosféru a s nimi spojená zemětřesení, sopečná aktivita a s ní spojené transfery pevných částic v ovzduší, snižující intenzitu slunečního záření na zemském povrchu, pyroklastické mraky žhavého prachu a přechodné „kyslíkové vakuum“ v atmosféře okolí vulkánů, výskyt radioaktivních rud a radonu v půdě a horninovém prostředí, půdní sesuvy a skalní řícení, průvaly tekutých písků do podzemních prostorů (při těžbách a zakládání staveb), • dlouhodobé změny klimatu (oteplování, vysoušení půd, pokles podzemních zásob vod, přesun teplotních pásem k severu s důsledky na snížené okysličování a vydatnost povrchových vod, faunu, floru, vč. přesunu jižních subtropických či tropických nemocí a jejich přenašečů, parazitů, jedovatých druhů pavouků, hmyzu, škorpiónů, dravců ap.), • krátkodobé klimatické excesy (extrémně vysoké teploty, extrémně nízké teploty, letní bouře s průtrží mračen (přívalovými dešti), údery blesku a jimi způsobované lesní a stepní požáry, zimní bouře s vánicemi, extrémní rychlosti, síla a prostorové uspořádání proudění vzduchu (orkány, tornáda), písečné bouře, větrná erose půdy a hornin, silné srážky, extrémně vysoká sněhová pokrývka, laviny, vznik silné jinovatky, námrazy, náledí, prudká oteplení spojená se srážkami, táním sněhu a ledu, řícení ledu z ledovců hor i moří, mlha, inverzní zvrstvení atmosféry a bezvětří při vysoké intenzitě emisí a koncentraci imisí v atmosféře ap.), • povodně, průvaly vod do jeskyní i umělých podzemních prostorů, vodní eroze půdy a hornin, extrémně vysoké vlny na moři, způsobené zemětřeseními a sopečnou činností („tsunami“), • přemnožení některých, zejména tzv. „škodlivých“ druhů rostlin a živočichů (hmyzu, hlodavců, dravců, šelem konkurujících člověku na vrcholech potravinových řetězců ap.) v podobě „kalamit“, transfer nepůvodních agresivních druhů rostlin a živočichů, vytlačujících původní rostlinná a živočišná společenstva nebo kulturní rostliny a plodiny, genové transmutace virů a jiných mikroorganismů, rostlin a živočichů, vymknuvší se kontrole, • kombinace předchozích jevů, jejich synergické a kumulativní účinky v čase. Lidmi způsobené (vyvolané) hrozby zahrnují: • oteplování atmosféry a rozkolísání klimatu v důsledku „skleníkového efektu“ emisí znečišťujících látek do ovzduší, zejména CO2 ze spalovacích procesů, 668
• •
• •
•
•
• • •
•
tání ledovců a růst hladiny světových moří, tání horských ledovců a nárůst rizik provalení přírodních valů a morén přírodních vodních akumulací (vysokohorských ples, jezer), oslabování stratosférické ochranné ozónové vrstvy v důsledku emisí redukčních činidel a dalších znečišťujících látek do ovzduší z průmyslové i zemědělské výroby i osídlení (čpavek, methan, chlor, fluor ap.), masivní úniky velkých množství jedovatých, výbušných, hořlavých, radioaktivních, bakteriologických, kancerogenních, mutagenních, teratogenních nebo jinak nebezpečných látek při průmyslových haváriích či sabotážích, hromadné otravy lidí, živočichů i rostlin látkami rozptýlenými v ovzduší, požáry a výbuchy v přírodním i urbánním prostředí, záplavy způsobené ztrátou akumulačních schopností krajiny jímat vodu (odlesnění, zornění, zcelování lánů spojené s odstraňováním mezí, remízků, likvidací mokřadů, přírodních bezodtokých akumulací vody („nebesáků“), melioracemi zemědělských pozemků, zatrubňováním, napřimováním a tvrdou, nepropustnou regulací dna a břehů vodních toků, urychlující odtok vody v krajině), záplavy způsobené haváriemi (protržením) hrází a přehrad uměle vytvořených vodních akumulací, těžebních a průmyslových odkališť, rozbředáním materiálu špatně založených a zajištěných těžebních odvalů, výsypek, skládek odpadů, havárie pozemních nebo podzemních staveb, staveb dopravní a technické infrastruktury, způsobené chybným založením, statickým řešením, použitím nevhodně zvolených nebo nekvalitních stavebních materiálů, vadnými dílčími konstrukcemi, instalacemi, nevhodným nebo nesprávným užíváním a nedostatečnou údržbou či opravami staveb apod., havárie v zásobování energiemi, vodou, odkanalizování a čištění odpadních vod, havárie počítačových sítí a spojovacích systémů, havárie dopravních prostředků, způsobené selháním techniky nebo lidí je užívajících, epidemie přenosných nemocí, obecná a „sofistikovaná“ kriminalita, teroristické útoky na obyvatele, osídlení, dopravní, technickou a občanskou infrastrukturu, zdroje a zásoby surovin, energetické zásoby, vodní zdroje a akumulace, průmyslová zařízení a zdroje energie, výrobny a sklady nového a úložiště vyhořelého jaderného paliva, ztráta půdní úrodnosti nedostatečným nebo jinak nevhodným hnojením, kontaminací půdy škodlivými látkami, erozí, zamokřením, nevhodným obděláváním (stlačování a zhušťování půdy tlakem zemědělské techniky, vypuzení půdního vzduchu a zánik potřebných mikroorganismů oživujících půdní profil),
669
• vědomý i nevědomý transfer nepůvodních až exotických druhů virů, mikroorganismů, rostlinných i živočišných druhů, spojený s globalizací výměny zboží, sílící dopravou osob a celosvětovým cestovním ruchem, ohrožující životní prostředí a veřejné zdraví, • obrovský nárůst objemu produkce a přepravy odpadů a jejich nedostatečné a nedůsledné, hygienicky nevhodné až nebezpečné „zneškodňování“, nárůst počtu nedostatečně zabezpečených a „černých“ skládek odpadů, narůstající nelegální manipulace s odpady a objemů jejich transportu přes hranice států, do podzemních prostorů po těžbě, do vodotečí a světových moří, • rostoucí riziko regionálních i globálních konfliktů o zdroje surovin, energie, vody, půdu vhodnou k produkci potravin, rostoucí riziko použití zbraní hromadného ničení (jaderných, chemických, bakteriologických) s jejich rozšiřováním do nestabilních států a nestátních (stále častěji nadnárodních) zájmových skupin, rostoucí riziko spojené s technickým nebo lidským selháním či úmyslným poškozením samotných zbraní nebo nosičů zbraní hromadného ničení, • rostoucí riziko pádu umělých kosmických těles, pohybujících se na oběžné dráze kolem země, z nichž některé jsou osazeny jadernými reaktory pro zásobování energií, které s rostoucí velikostí nemusejí bezpečně shořet ve vysokých vrstvách atmosféry, • kombinace těchto antropogenních rizik navzájem a také s přírodními riziky. Je třeba zdůraznit, že ne všechna vyjmenovaná rizika jsou pro Českou republiku stejně aktuální. Avšak postupující globalizace může a také nepochybně bude jejich aktuálnost zvyšovat. Literatura:
[1] http//www.encyklopedie,seznam.cz
670
Stanovení druhu konstrukční části Ing. Pavel VANIŠ, CSc. Centrum stavebního inženýrství a.s. Pražská 16/810, 102 21 Praha 10 Anotace:
Uvedení normou ČSN 73 0810 předepsaného stanovení druhu konstrukční na základě reakce stavebních výrobků na oheň a dalších doplňkových požadavků. Chyby při stanovení druhu konstrukční části u sestav lodžiových stěn a meziokenních vložek. Zásady stanovení teplot vzplanutí a srovnávacích teplot hořlavých hmot užitých v konstrukčních částech. Požárně technická charakteristika „druh konstrukce/druh konstrukční části“ byla zavedena normou ČSN 73 0802 a podle příslušné kapitoly této normy byly určitému chování kostrukce přiřazovány druhy D1, D2, D3. V revidované normě ČSN 73 0810, která byla vydána v roce 2005, jsou nově označeny druhy konstrukčních částí DP1, DP2, DP3. Pro vymezení vlastností jednotlivých druhů konstrukčních částí je v kapitole 3.2 této normy již použita místo stupně hořlavosti třída reakce na oheň stavebních výrobků, které jsou v konstrukční části obsaženy. Hodnocení konstrukčních částí (dílců a prvků) je nastaveno v závislosti na uvolňovaném teple těchto částí při požáru, vlivu na stabilitu a únosnost konstrukčních částí. Tyto části sice mohou sestávat z jednoho výrobku s klasifikací třídy reakce na oheň, avšak mohou sestávat i z několika výrobků tvořících podstatné složky konstrukce s různou klasifikací tříd reakce na oheň. Určení druhu konstrukce DP1, DP2, DP3 je proto závislé jak na hodnocení dle ČSN EN 13501-1, tak na analýze chování konstrukčního dílce či prvku při požáru, popř. zkoušce požární odolnosti; to se zejména týká konstrukcí druhu DP2. Konstrukční části D1, D2, D3 hodnocené podle ČSN 73 0802:2000 a ČSN 73 0804:2002 (tedy podle stupňů hořlavosti) vyhovují třídění v normách řady ČSN 73 08.. do 31.12.2007. Po tomto datu se konstrukční části hodnocené podle D1, D2, D3 mohou užít pouze u objektů navržených před 31.12.2007. Konstrukční části druhu DP1 nezvyšují v požadované době požární odolnosti intenzitu požáru a podstatné složky konstrukcí sestávají: a) pouze z výrobků třídy reakce na oheň A1, nebo také z výrobků třídy reakce na oheň A2, pokud výrobky třídy A2 jsou celistvé a homogenní
671
a obsahují hmotnostně nejvýše 5 % organických látek (např. pojivo u izolací z minerálních vláken), b) nebo z výrobků třídy reakce na oheň B až F umístěných uvnitř konstrukční části mezi výrobky podle bodu a) (např. tepelné a zvukové izolace), a to tak, že v požadované době požární odolnosti se nedosáhne teploty vzplanutí hmot obsažených ve výrobcích; na těchto výrobcích není závislá stabilita a únosnost konstrukční části. Není-li teplota dle bodu b) jednoznačně určena, doporučuje se považovat teplotu 180 °C za teplotu vzplanutí. I když konstrukční část zahrnuje také výrobky podle bodu b) a výsledná třída reakce na oheň celého výrobku je třídy B, může být tato konstrukce zařazena do DP1. Konstrukční části druhu DP2 nezvyšují v požadované době požární odolnosti intenzitu požáru a podstatné složky konstrukcí sestávají: a) z výrobků třídy reakce na oheň A1 nebo A2, tvořících povrchové vrstvy konstrukčních částí, u nichž se po dobu požadované požární odolnosti nenaruší jejich stabilita a jejichž tloušťka je ověřena zkouškou, nebo je alespoň 12 mm (např. omítky na pletivu, desky na bázi sádry a jiné deskové materiály odpovídajícího zatřídění), b) z výrobků třídy reakce na oheň A1 až D umístěných uvnitř konstrukční části mezi výrobky podle bodu a); na těchto výrobcích je závislá stabilita konstrukční části (např. dřevěné sloupky, dřevěné nosníky), c) případně také z výrobků kterékoliv třídy reakce na oheň umístěných uvnitř konstrukční části, aniž by na těchto výrobcích byla závislá stabilita konstrukční části (např. tepelné či zvukové izolace mezi dřevěnými sloupky, opláštěné dle bodu a)). Výrobky podle bodu a) mají omezit hoření výrobků dle bodů b), c) tak, aby v požadované době požární odolnosti se nedosáhlo jejich teploty vzplanutí a tím aby nedošlo k jejich odhořívání a ke zvýšení intenzity požáru v hořícím prostoru. Požární odolnost konstrukcí druhu DP2 nepřesahuje zpravidla 45 minut. Uvedené tloušťky vrstev příkladů konstrukcí druhu DP2 je třeba považovat za minimální pro požární odolnosti do 45 minut; požaduje-li se vyšší požární odolnost, skladby a tloušťky vrstev se musí upravit a ověřit. Výrobky třídy A2 smí obsahovat nejvýše 5 % organických hmot. Konstrukční části druhu DP3 zvyšují v požadované době požární odolnosti intenzitu požáru; zahrnují podstatné složky konstrukcí, které nesplňují požadavky na konstrukce druhu DP1 a DP2. V dnešním příspěvku bych se rád věnoval chybám v zatřiďování konstrukčních částí, které byly způsobeny nedůslednou aplikací požadavků na výrobky pro povrchové vrstvy konstrukčních částí. Základem požadavků je
672
klasifikace do tříd reakce na oheň A1 nebo A2. V případě deskových výrobků třídy reakce na oheň A2 však příslušné články normy ČSN 73 0810 obsahují ještě podmínku, že tyto výrobky nesmí obsahovat hmotnostně více než 5 % organických látek a že musí být celistvé a homogenní. Hitem posledních let je renegerace panelových domů a její nejvýznamnější část výměna oken a dodatečná vnější tepelná izolace obvodových stěn. Při těchto stavebních aktivitách jsou vyměňovány původní meziokenní vložky a často i celé lodžijové stěny. Nejsou-li tyto konstrukční části vyzdívány, pak jsou do regenerovaných staveb instalovány sendvičové konstrukce sestávající z tepelně izolačního jádra tvořeného buď retardovanými lehčenými plasty (polystyrén, polyuretan – třídy reakce na oheň E) nebo deskami z minerální plsti (třída reakce na oheň A1, A2) a opláštění obvykle z desek třídy reakce na oheň A2 (Cetris, sádrokartón). Takto vyrobené konstrukční části jsou klasifikovány většinou do druhu DP2 nebo i DP1. Toto zatřídění je však chybné. Jedním z dalších požadavků na výrobky třídy reakce na oheň A2 nezbytných pro DP1 a DP2 je, že tyto mají být homogenní. Tento požadavek sádrokarton samozřejmě nesplňuje. Druhým požadavkem je, aby obsah organických látek ve výrobku činil nejvýše 5 %. Tento požadavek nesplňují pak desky Cetris, které obsahují až 22 % objemových dřeva. Proto nezbývá než klasifikaci takto vyrobených sedvičových stěn přehodnotit a přiřadit jim druh konstrukční části DP3. Druhým problémem, který sebou přináší klasifikace druhu konstrukční části, je způsob měření teplot na vnitřním povrchu obkladových desek. Tento způsob měření není žádným předpisem specifikován a je na zadavateli zkoušek požární odolnosti, do kterého místa a kolik termočlánků měřících teplotu na rozhraní obkladové desky a izolačního jádra bude ve do sledované konstrukci při zkoušce požární odolnosti instalováno. To je pochopitelně věc nežádoucí a vyžaduje urychlené řešení, alespoň na úrovni zkušeben, které výsledky měření pro určení druhu konstrukční části poskytují, tedy PAVUS, a.s. a FIRES, s.r.o. Bylo by vhodné, aby tyto akreditované zkušební laboratoře vytvořili ve spolupráci zkušební předpis pro stanovení teplot rozhodných pro zařazení do druhu konstrukční části a nadále postupovali při nezbytných měřeních stejným v tomto předpise specifikovaným způsobem.
673
Bezpečnostní požadavky pro dopravní pásy používané v podzemí Ing. Hana VĚŽNÍKOVÁ, Ing. Václav VAŇÁSEK VŠB –TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství Lumírova 13, Ostrava - Výškovice Ing. Milan MACURA OKD, HBZS, a.s., Ostrava Anotace
Používání plastických hmot je spojeno s rizikem požáru a iniciace výbuchu, jsou-li výrobky z nich používány v prostředí, kde se může vyskytovat výbušná atmosféra a hořlavé látky, zejména ve formě prachu. Na příkladu dopravních pásů jako jednoho z výrobků z plastických hmot, je uveden přehled požadavků pro zajištění jejich bezpečného používání, zejména podle normy ČSN EN 14973, která je v ČR v platnosti od ledna 2007. V příspěvku jsou uvedeny jednotlivé technické požadavky a laboratorní metody pro stanovení požadovaných parametrů u jednotlivých kategorií pásů. Dále se článek zabývá dalšími možnými metodami pro hodnocení dopravních pásů a jejich vzájemným vztahem. 1. Úvod
Plastické hmoty a výrobky z nich jsou široce používány ve všech průmyslových odvětvích, protože plně nahrazují vlastnosti klasických materiálů. Při některých aplikacích jsou plastické hmoty dokonce výhodnější než výrobky z jiných materiálů. Používání plastických hmot sebou přináší také rizika, stejně jako používání jiných hořlavých materiálů. Závažnost těchto rizik se dále zvyšuje, jsou-li v okolním prostředí přítomny další hořlavé látky nebo může dojít ke vzniku výbušné atmosféry. Jedním z postupů, jak snížit riziko požáru u plastických hmot, je změna jejich složení a další úpravy, které vedou ke snížení jejich hořlavosti a zvýšení jejich vodivosti elektrostatických nábojů. 2. Kyslíkové číslo
Hořlavost plastických hmot je možno testovat různými typy laboratorních zkoušek, které jsou uvedeny v technických normách. U výrobků z plastů je to zejména v českých normách třídy 64, skupina 04. Některé normy určené speciálně pro konkrétní výrobky je možno najít v jiných třídách. Například požadavky na požárně technické vlastnosti dopravních pásů jsou uvedeny v normách třídy 26, skupina 03.
674
Jednou z norem, která hodnotí hořlavost plastických hmot, která je v současné době uvedena v ČSN ISO 4589-2, třídící znak 64 0756 [1]. Zkouška je také specifikována v zahraničních technických normách, např. v národních normách jako je norma USA ASTM D2863 [2] nebo německá norma DIN 22117 [3]. V normě[3] je tato metoda přímo určena pro dopravní pásy používané v důlním průmyslu, na rozdíl od normy USA [2] nebo mezinárodní normy, která byla přijata jako česká technická norma [1], kde je metoda určena obecně pro plastické hmoty. Kyslíkové číslo je v těchto normách definováno jako minimální koncentrace kyslíku v kyslíko-dusíkové směsi, která podporuje, resp. je schopna udržet, hoření hodnoceného vzorku. Výsledky kyslíkového čísla, dosažené podle metod předepsaných v ČSN ISO 4589, mohou poskytnout citlivé měřítko charakteristik hoření materiálů za určitých laboratorních podmínek. Mohou být tedy využity pro účely řízení jakosti. Výsledky závisí na tvaru, orientaci, okolním prostředí zkušebního tělesa a na podmínkách zapalování. Pro určité materiály nebo aplikace může být nutné nebo vhodné předepsat odlišné zkušební podmínky. Výsledky získané u těles odlišné tloušťky nebo při použití jiného způsobu zapalování nemusí být srovnatelné a nejsou v korelaci s chováním při hoření za jiných podmínek. Výsledky dosažené podle metody ČSN ISO 4589-2 nesmějí být použity pro hodnocení požární bezpečnosti určitého materiálu nebo výrobku za podmínek skutečného požáru. Mohou být využity pouze dílčím způsobem při hodnocení požárního rizika, kdy se berou v úvahu všechny faktory týkající se hodnocení požárního nebezpečí při určité aplikaci materiálu. Podle výsledku laboratorních stanovení je hodnocena schopnost materiálu podporovat nebo udržovat šíření hoření (plamene). Tento parametr je také někdy označován jako oxidační index, zkratka OI (oxygen index) nebo LOI (limiting oxygen index). Hodnota kyslíkového čísla se vztahuje na minimální koncentraci kyslíku v objemových procentech ve směsi kyslíku a dusíku, která právě ještě umožní hoření vzorku za podmínek zkoušky. Kyslíkové číslo jako parametr umožňující hodnocení materiálů z plastických hmot z hlediska jejich hořlavosti byl poprvé uveden v roce 1966 v práci, jejímž tématem byla hořlavost plastů a jejímiž autory jsou Fenimore a Martin [4]. Klasifikace materiálů z hlediska jejich hořlavosti podle hodnoty kyslíkového čísla je uvedena v [5]. Mezní hodnoty pro hodnocení jsou uvedeny v tabulce č. 1. Obdobná klasifikace materiálů podle hodnoty kyslíkového čísla je uvedena v práci [6].
675
Tabulka č. 1: Mezní hodnoty kyslíkového čísla pro klasifikaci podle [5] kyslíkové číslo VO2 / Vsměsi (%obj./ %obj.) větší než 0,50 0,50-0,27 0,27 – 0,20 menší než 0,20
příklad klasifikace materiálu nehořlavý samozhášivý hořlavý snadno hořlavý
teflon (k. č. 0,90) PVC (k. č. 0,44) dřevo (k. č. 0,21) polyethylen (k. č. 0,18)
Takto vyjádřené hodnoty po vynásobení stem vyjadřují koncentraci kyslíku v objemových procentech. V České republice jsou používány mezní hodnoty podle [5] po jejich převodu na objemová procenta. Nejčastěji je používaná mezní hodnota 27 % obj., která je hranicí mezi hořlavými a samozhášivými materiály. Tato hodnota slouží zejména při posuzování materiálů vhodných pro používání v důlních provozech. Materiály, jejichž kyslíkové číslo je nižší než 27 %, nemohou být v těchto provozech používány bez dalších opatření nebo omezujících podmínek. Klasifikace materiálů „nehořlavých“ se obecně v ČR podle hodnoty kyslíkového čísla 50% nepoužívá. 3. Hodnocení pásů z požárně technického hlediska
Schopnost materiálu podporovat šíření požáru je možno hodnotit nejen metodou kyslíkového čísla. Pro dopravní pásy, zejména ty, které jsou používány v důlních provozech, je používána modelová velkorozměrová zkouška v požární štole. Tato zkouška je například specifikována v normě ČSN EN 12881-2 [7] a technické požadavky, kterým musí vyhovět dopravní pásy určené pro použití v dolech jsou uvedeny například v normě ČSN EN 14973 [8], která byla jako česká technická normy vydána v lednu 2007. Ačkoliv se jedná o zkoušky se zcela odlišným provedením, existuje mezi jejich výsledky určitá souvislost, která byla dokumentována v práci [9]. V této práci se autor zabýval hořením vybraných makromolekulárních látek a toxicitou zplodin hoření, a to především dopravními pásy používanými v důlních provozech. Kromě jiných parametrů byly také porovnány experimentální výsledky hodnocení schopnosti podporovat šíření požáru, které byly získány metodou kyslíkového čísla a metodou velkorozměrové zkoušky v požární štole, a metodou odolnosti pro vznícení a hoření nad plošným plynovým hořákem v požární štole podle ČSN 26 0372.
676
Tabulka č. 2: Porovnání hodnot kyslíkového čísla dopravního pásu a jeho částí s hodnotami délky poškození pásu při velkorozměrové zkoušce Vzorek č.
Kyslíkové číslo dopravního pásu (%O2)
Kyslíkové číslo textilní kostry (%O2)
26,3
26,4
23,9
Délka poškození při velkorozměrové zkoušce (m) 11
31,8
27,4
31,7
4
36,3
36,1
35,9
7
40,2
36,7
46,2
2,4
40,4
35,3
45,1
1,1
1 Pryžový pás 2 Pryžový pás 3 Pryžový pás 4 PVC pás 5 Chloroprénový pás
Kyslíkové číslo krycí vrstvy (%O2)
Z výsledků uvedených v tabulce č. 2 vyplývá, že vzorek č. 1 neplní požadavky na délku poškození pásu při velkorozměrové zkoušce, protože délka poškození je větší než 10 m, a zároveň jeho kyslíkové číslo je nižší než 27. Ostatní vzorky vyhovují požadavkům a hodnoty zjištěných kyslíkových čísel jsou nepřímo úměrné hodnotám poškozené části vzorku. To znamená, že mezi výsledky obou zkoušky existuje závislost a čím vyšší je kyslíkové číslo, tím kratší je poškození část vzorku. Mezní hodnoty obou metod jsou v souladu; vzorky jsou oběma metodami hodnoceny shodně jako vyhovující resp. nevyhovující. Obdobná závislost existuje mezi výsledky zkoušky odolnosti proti hoření nad plošným plynovým hořákem v požární štole podle ČSN 26 0372 a hodnotou kyslíkového čísla. Výsledky získané měřením jsou uvedeny v tabulce č. 3. Tabulka č. 3: Porovnání naměřených hodnot kyslíkového čísla dopravního pásu a jeho částí s hodnotami délky nepoškozené části pásu při zkoušce dopravního pásu na roštu Dopravní pás -typ
Hodnota kyslíkového čísla (%O2)
Zkouška na roštu
Krycí vrstva
Délka neporušeného zbytku (mm) 1040 970 970 790 690 570
Textilní kostra
Kompletní dopravní pás
PVG, EbPb 630 solid woven
39,2
30,7
34,6
1250/3 Pvs V 4+2 PVC
23,9
26,4
26,3
677
P 500/2 3+3, Gi P 500/2 V 4+2, Gi
41,5 28,7
32,6
31,4
980 920 960 0 680 0
Při porovnání hodnot kyslíkového čísla a délek neporušeného zbytku dopravního pásu neexistuje přímá úměra ve smyslu kvantitativního vyhodnocení. Je však zřejmé, že dopravní pásy, jejichž hodnota kyslíkového čísla je vyšší než 30 % splňují požadavky testu při zkoušce dopravního pásu na roštu. 4. Další rizika spojená s provozováním pásů
Kromě rizika šíření požáru jsou s provozem pásů spojena další rizika. Hlavním nebezpečím je iniciace požáru nebo výbuchu. Technické požadavky na elektrickou a tepelnou bezpečnost pásů určených pro použití v podzemí jsou specifikovány v normě ČSN EN 14973 [8]. Pásy vyhovující této normě mohou být použity jako součást pásových dopravníků, které jsou zařízeními skupiny I, kategorie M2 , jak je definováno v čl. 3.2.2 normy ČSN EN 13463-1:2001. Norma se nevztahuje na pásy vyrobené před datem zveřejnění tohoto dokumentu. V normě je také uveden vztah k základním požadavkům definovaným v EU Direktivě 98/37/EC a v EU Direktivě 94/9/EC, které jsou do právního řádu České republiky zavedeny Nařízením vlády č. 24/2003 Sb., kterým se stanoví technické požadavky na strojní zařízení, a Nařízením vlády č. 23/2003 Sb., který se stanoví technické požadavky na zařízení a ochranné systémy určené pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu. 5. Požadavky na jednotlivé skupiny pásů
Dopravní pásy používané v podzemí jsou rozděleny do 5 skupin podle přítomnosti nebo nepřítomnosti výbušné atmosféry, přítomnosti nebo nepřítomnosti sekundárních bezpečnostních zařízení. Dalším parametrem je přítomnost hořlavého materiálu, ať už v okolí nebo dopravovaného, který může představovat přídavný zdroj paliva pro případný požár. V tabulce č.4 jsou uvedeny charakteristiky jednotlivých skupin.
678
Tabulka č. 4: Charakteristiky jednotlivých skupin dopravních pásů dle ČSN EN 14973 Skupina
Potenciálně výbušná atmosféra
Hořlavý materiál nebo prach
A B1 B2 C1 C2
ne ano ano ano ano
ne ne ne ano ano
Sekundární bezpečnostní zařízení ne ne ano ne ano
Sekundárními bezpečnostními zařízeními, která jsou použita u pásů skupiny B2 a C2 jsou míněna např. detektor prokluzu, detektor tepla nebo vodní hasicí systém. Prvním z rizik je tvorba a vybíjení statické elektřiny, která může iniciovat výbušnou atmosféru nebo způsobit elektrický šok personálu. Dalším rizikovým faktorem je zahřívání způsobené třením, které může iniciaci výbušné atmosféry, zapálit pás nebo dopravovaný hořlavý materiál. Další dvě rizika se vztahují k vlastnostem pásu, a to k odolnosti proti vznícení malým zdrojem tepla a k odolnosti pásu šířit požár. Uvedené čtyři typy rizik jsou hodnoceny podle výsledků laboratorních zkoušek, přičemž laboratorní metody pro jejich stanovení a konkrétní požadavky jsou specifikovány pro každou skupinu pásů. Pro všechny skupiny platí shodný požadavek na hodnotu povrchového odporu měřeného podle ČSN EN ISO 284. Jeho hodnota nesmí být vyšší než 300 MΩ. Tato hodnota je také uvedena jako mezní hodnota pro dopravníkové pásy v 4.5.3 normy ČSN 33 2030 [10]. Chování pásů při tření je testováno zkouškou podle ČSN EN 1554. Norma popisuje určení sklonu dopravníkového pásu ke vzniku plamene nebo žhnutí za daného napětí v povrchovém kontaktu s otáčejícím se ocelovým bubnem. Při hodnocení je sledována přítomnost plamene a nebo žhnutí a je měřena maximální teplota na zkušebním bubnu. U pásů skupiny A a pásů skupiny pásů B2 nebo C2, které jsou doplněny sekundárním bezpečnostním zařízením, nesmí dojít ke vzniku plamene, ale žhnutí je dovoleno. Hodnota teploty na bubnu není omezena. U pásů skupiny B1, resp. C1 nesmí dojít ke vzniku plamene ani ke vzniku žhnutí a teplota na bubnu nesmí překročit hodnotu 450 °C, resp. 325 °C. První uvedená hodnota, kdy je předpokládána doprava nehořlavého materiálu, byla zvolena jako dostatečně nízká vzhledem k teplotě vznícení metanovzdušné směsi v přítomnosti horkého povrchu bubnu. Druhá uvedená hodnota, kdy je 679
předpokládána doprava nebo přítomnost hořlavého materiálu, je odvozena od teploty vznícení uhelného prachu. V případě, že se jedná o jiný druh materiálu, musí být zvolena jiná hodnota teploty, aby byly zaručeny podmínky pro bezpečný provoz. Dopravní pásy musí být dostatečně odolné proti zapálení. Tato odolnost je testována podle normy ČSN EN ISO 340: Dopravní pásy - Laboratorní charakteristiky míry hořlavosti - Požadavky a metoda zkoušení. Požadavky pro pásy skupiny A, B1, B2 a C2 jsou shodné. Součet doby následního hoření u 6 vzorků s krycí vrstvou, stejně jako součet doby následného hoření u 6 vzorků s odstraněnou krycí vrstvou, musí být menší než 45 s a žádný individuální vzorek nesmí vykázat čas delší než 15 s. Požadavky na pásy skupiny C1 jsou s ohledem na vyšší riziko přísnější. Průměrný čas následného hoření a žhnutí u vzorků s krycí vrstvou neporušenou, nesmí být vyšší než 3 s a žádný individuální výsledek nesmí být vyšší než 10 s. Při testování vzorků s odstraněnou krycí vrstvou nesmí doba následného hoření a žhnutí pro 6 vzorků přesáhnout 5 s a žádný individuální výsledek nesmí být vyšší než 15 s. Odolnost dopravních pásů proti šíření požáru z lokalizovaného tepelného zdroje jsou hodnoceny na základě výsledků zkoušek uvedených v normách ČSN EN 12881-1 a ČSN EN 12881-2. Druh zkoušek je opět vybírán dle skupiny pásu; pásy skupiny A, B1, B2 a C1 jsou zkoušeny dle normy ČSN EN 12881-1. Velkorozměrová zkouška dle ČSN EN 12881-2 je předepsána pro skupinu C2, kde je potencionálně výbušná atmosféra, hořlavý prach nebo dopravovaný materiál a navíc další zdroje paliva a kde jsou sekundární bezpečnostní zařízení. Z výše uvedeného přehledu požadavků a způsobu hodnocení vlastností kromě jiného vyplývá, že postup při stanovení podmínek bezpečného provozu je poměrně složitý a je nutno uvážit všechny okolnosti, za kterých je dopravní pás provozován. Protože normy nejsou od roku 1994 závazné, nemusí být bezpečnost pásů posuzována podle normy ČSN EN 14973, ale mohou být posuzovány podle jiných platných norem, např. z řady 2603. Při posuzování být zohledněna veškerá rizika, která při daném použití a v daném prostředí existují. Dopravní pásy stejně jako jiné výrobky z plastů podléhají v případě jejich použití v dolech schválení pověřenou zkušebnou podle vyhlášky ČBÚ č. 22/1989 Sb. Zkušebna je pověřována Českým báňským úřadem. 6. Závěr
Plastické hmoty jsou hořlavým materiálem a pro posuzování jejich požárního rizika a rizik výrobků z plastických hmot existuje celá řada norem uvádějících metodiky zkoušek a požadavky pro jejich hodnocení. 680
Pro dopravní pásy, které jsou vyráběny a používány ve velkém množství a jsou mimo jiné používány i ve velmi rizikových prostředích s nebezpečím požáru a výbuchu, jsou specifikovány zkušební postupy a požadavky v českých technických normách. Poslední z těchto norem, norma ČSN EN 14973, která je v ČR v platnosti od ledna 2007. Při posuzování vhodnosti dopravního pásu pro použití v prostředích s nebezpečím výbuchu se uplatňuje i metodika pro stanovení kyslíkového čísla podle ČSN ISO 4589-2 [1]. Jak bylo na základě experimentálních výsledků prokázáno porovnáním hodnot naměřeného kyslíkového čísla a výsledků velkorozměrových zkoušek dopravních pásů lze na základě naměřené hodnoty kyslíkového čísla odhadnout, zda dopravní pás splní požadavky při velkorozměrových zkouškách. Metodiku stanovení kyslíkového čísla lze tedy použít jako rychlou metodu pro orientační zkoušku u neznámého vzorku dopravního pásu nebo jako rychlou laboratorní metodiku pro kontrolu stálosti výroby dopravních pásů. 7. Použitá literatura
[1] ČSN ISO 4589-2: Plasty - Stanovení hořlavosti metodou kyslíkového čísla Část 2: Zkouška při teplotě okolí. 1998, ČNI [2] ASTM D2863 -06a: Measuring the Minimum Oxygen Concentration to Support Candle-Like Combustion of Plastics, ASTM International. [3] DIN 22117: Fördergurte für den Steinkohlenbergbau; Ermittlung des Sauerstoff-Kennwertes, 1988-02, Beuth Verlag GmbH [4] FENIMORE, C. P.; MARTIN F. J. Flammability of polymers. Combustion and Flame, Vol. 10, Issue 2, June, 1966, s. 135-139 [5] BUSSENIUS, Siegfried. Protipožární a protivýbuchová ochrana průmyslu. Přel. Damec Jaroslav.1. vydání. Praha: Svaz požární ochrany ČSSR, Federální výbor,1985. 462 s. [6] NELSON Mark. Combustion of Polymers, Oxygen-Index. Methods Mark Nelson's Home Page. http://www.uow.edu.au/~mnelson/review.dir/ oxygen.html [7] ČSN EN 12881-2: Dopravní pásy - Zkoušení hořlavosti pomocí simulace hořením - Část 2: Zkouška hořením širokého rozsahu, 2006, ČNI [8] ČSN EN 14973: Dopravní pásy pro použití v podzemí - Požadavky na elektrickou a tepelnou bezpečnost, 2007, ČNI [9] MACURA Milan. Hoření vybraných makromolekulárních látek a toxicita zplodin hoření. Disertační práce doktorského studia, Vysoká škola báňská – Technická universita Ostrava, leden 2006
681
[10] ČSN 33 2030: Elektrostatika – Směrnice pro vyloučení nebezpečí od statické elektřiny, Český normalizační institut, listopad 2004
682
Internetové technologie a modelování krizových situací Prof. Ing. Ivo VONDRÁK, CSc. a kolektiv VŠB – Technická univerzita Ostrava 17. listopadu 15, Ostrava – Poruba, 708 33 e-mail:
[email protected] Klíčová slova:
internetové technologie, matematické modelování, krizové situace, povodně, dopravní situace, webové služby, otevřená architektura Abstrakt:
Modelování a simulace krizových situací způsobených nepříznivými přírodními jevy se stále častěji stávají základem nástrojů podpory rozhodování, které pomáhají zodpovědným osobám takové situace řešit. Problémem je však složitost takových úloh. V důsledku toho vznikla celá řada počítačových modelů, které se liší způsobem popisu dané krizové situace, a tím i jak věrně je konkrétní reálná situace popsána. Navíc je efektivní využití vybraných modelů podmíněno nutností zpracovat velké množství různorodých vstupních dat poskytovaných různými zdroji. Cílem projektu řešeného na naší univerzitě je vytvořit výpočetní platformu na bázi internetových technologií, která umožní tento nedostatek překlenout a vytvořit otevřený nástroj, který umožní různé modely propojovat s datovými zdroji a uživatelům výsledky zobrazit v jednotné grafické podobě. Úvod
Požadovaným výsledkem projektu Modelování, simulace a monitorování krizových situací způsobených nepříznivými přírodními jevy financovaného z prostředků Moravskoslezského kraje je vybudování prototypového systému pro modelování a simulace těchto situací s využitím moderních internetových technologií. Jakožto modelový případ pro otestování spolupráce moderních technologií, modelovacích nástrojů a vhodných prezentačních výstupů, ale také zajména pro ověření integrace mezioborových výsledků, byl vybrán přírodní jev, který se v posledním době stává velmi častým a jehož včasná predikce a simulace následků může být velmi prospěšná pro různé zájmové skupiny a zabránit tak případným velkým finančním ztrátám. Jedná se o modelování, simulace a predikce povodňových situací a jejich zprostředkování laickým i profesionálním uživatelům. Odtud vyplývá i název vyvíjeného systému FLOREON (FLOods REcognition on the Net). Svou celkovou koncepcí je projekt zaměřen na prokázání funkčnosti 683
unikátního spojení nejmodernějších informačních technologií, všech dostupných informací z oblasti hydrologie, geologie a meterologie, zapojení stávajících a vývoj vlastních alternativních modelů pro predikce a simulace povodňových stavů. Informační systém samotný je vyvíjen s důrazem na předávání aktuálních informací ve srozumitelné grafické podobě, 2D, 3D, Stereo 3D, včetně textových a jiných interaktivních způsobů přenosu informace, jak pro laiky, tak zejména pro profesionály v daném oboru a zejména pro osoby zodpovědné za řešení krizových situací na různých úrovních hierarchie jejich řízení. Hlavním jmenovatelem technologické integrace všech potřebných modulů systému jsou internetové technologie umožňující dynamickou konfiguraci a budování systému na otevřené architektuře umožňující propojení s jinými systémy na principu webových služeb či jiných moderních technologií. Těmito systémy mohou být například systémy krizového řízení či jiné systémy podporující rozhodování při samotném vzniku krizových situací, ale také systémy pro jejich předcházení či prevenci. Daný systém, který je prototypově vyvíjen se zaměřením na povodňové situace, je možno elegantně a jednoduše rozšířit o další moduly, jako mohou být kupříkladu modely šíření požárů, modely různého druhu znečištění apod. Všechny tyto funkčnosti bude možno přidávat, odebírat a měnit za jiné s využitím principu „plug and play“. Díky tomuto řešení bude daný systém zcela jedinečný a unikátní tím, že se nezaměřuje jen na úzce specifikovanou oblast, ale umožní využití svého obecného potenciálu pro různé krizové a jiné situace. Motivace a požadované vlastnosti
Jedním z hlavních cílů námi vyvíjeného systému je zejména zprostředkování informace koncovým uživatelům v jim srozumitelné podobě. A to tak, aby každý, kdo si potřebuje zjistit informace o povodňové situaci, ať již je to obyčejný občan, starosta obce zodpovědný za krizové řízení, či odborník v dané oblasti, byli schopni získat maximum možných informací, které jim pomohou správně pochopit a vyhodnotit situaci a zařídit se podle toho. Systém není a nebude jen systémem předávajícím informace jedním směrem od modelů a simulací k uživatelům, ale je odpočátku vyvíjen jako integrující prvek, který umožní tyto informace odborně vyhodnocovat, validovat a zprostředkovávat jednotlivým zájmovým skupinám. Je počítáno i s tím, že se aktuální informace v systému mohou za určitých podmínek doplňovat zpětnou vazbou dokonce i od laických uživatelů (např. hlášení o aktuální hladině vody na učitém místě), kteří tímto mohou přímo či nepřímo přispět jednak k řešení krizové situace samotné, ale i kupříkladu k vytváření postupů jak těmto situacím vhodně předcházet. Hlavní požadovaná vlastnost systému je zejména schopnost dodat přesnou a srozumitelnou grafickou a textovou informaci všem těm, kteří nějak participují na řešení, předvídání a preventivních opatřeních krizových situací, či jen 684
potřebují znát aktuální nebo simulovaný stav daného problému. Další vlastností vyplývající z hlavního cíle projektu je požadavek na otevřenou modulární architekturu systému. A to v tom smyslu, aby bylo možno využít výsledků různých modelů, vyměňovat moduly systému za jiné, doplňovat alternativní moduly a modely, nahradit nedostupné moduly jinými, či v budoucnu možnost využití porovnání výsledků jednotlivých modelů. Dostupnost co nejaktuálnější informace je a nadále bude klíčovým prvkem návrhu a implementace architektury systému. Informace týkající se krizových situací, ať jsou to aktuální měřená data, či zpracované simulace a prognózy je nutno dodat uživateli, který je požaduje, v co nejkratším možném čase a to tak, aby na jejich základě mohl učinit co nejkvalifikovanější a nejinformovanější rozhodnutí. Uživatelé takovéhoto systému pochopitelně mají a budou mít různou dostupnost komunikačních kanálů. Je proto nutné umožnit co největší mobilitu systému v tom smyslu, aby informace požadované uživatelem bylo možno zobrazit kdekoliv a kdykoliv na jakémkoliv zařízení. To například znamená, že pokud je uživatel přítomen na technicky dostatečně vybaveném krizovém centru, bude si schopen informace zobrazit pomocí nejmodernějších technologií v prakticky jakékoliv požadované podobě, kterou mu dané vybavení umožní. Pokud ovšem bude daný uživatel v terénu a bude disponovat např. pouze mobilním telefonem, sytém musí být schopen požadované informace předat na toto zařízení a to tak, aby uživateli poskytl i přes omezené technické prostředky co nejobsáhlejší a nejúplnější informaci. Aktuální stav řešení systému
Jako každý informační systém, který je v interkaci se svými uživateli, i systém FLOREON musí mít definované scénáře, které popisují způsob komunikace dané skupiny uživatelů se systémem, posloupnost jednotlivých akcí, způsob komunikace mezi moduly, iniciátory akcí atd. Pro realizaci v úvodní části projektu byly vybrány dva scénáře, které popisují: a) Jednoduchou komunikaci uživatele se systémem ve smyslu zjištění aktuální povodňové situace, vývoje stavu budoucího, či zobrazení historických dat o povodních. b) Zajištění koordinace výpočtů, kdy například při příchodu nových meterologických dat dojde k automatickému spuštění simulací na základě těchto dat a uložení výsledků do systému. Pro tyto dva scénáře, ale také pro mnohé další hlavní a podpůrné scénáře, které vyvstávají a vyvstanou postupem času, bylo nutné navrhnout základní architekturu systému, která ovšem musí odpovídat všem obecným požadavkům kladeným na takto rozsáhlý a unikátní systém.
685
Architektura, která byla vrámci projektu navržena, je dostatečně obecná na to, aby odpovídala těmto požadovaným vlastnostem a umožnila jakékoliv rozšíření v budoucnu a zároveň možnost využití a záměny libovolných dostupných technologií, které mohou být stavěny na komerční nebo open source bázi. Architektura je stavěná jako hierarchicky modulární. Z obecného pohledu se daný systém skládá z několika málo základních modulů, které mohou být doplňeny či nahrazeny jinými nebo alternativními moduly. Co se týče hierarchizace, tak samotné základní moduly se mohou skládat z dalších modulů, pro které platí stejná volnost jako pro základní moduly a to v tom smyslu, že mohou být nahrazeny, alternovány, nebo doplňeny kdykoliv je to zapotřebí.
Obrázek 1. Schématické znázornění architektury sytému Základními moduly systému FLOREON jsou momentálně: Jádro, které se stará zejména o koordinaci a chod celého systému. Datové úložiště, kde jsou uložena všechna potřebná data, modul Meteodata, který se stará o pravidelný přísun meterologických dat do systému. Geografický modul, který obstarává zasazení doménové oblasti do terénu s využitím všech dostupných stávajících systémů a dat. Modul Hydrogeologie, který je důležitý jednak z hlediska řešení a zapojení současných nástrojů pro modelování a simulací povodňových situací. Modul matematické modelování, který je v našem projektu vyčleněn jako samostatný modul a v podstatě slouží jako zastřešující modul pro vrámci projektu vlastními silami vyvíjené alternativní modely pro simulace povodňových situací. Modul Vizualizace, který obstarává zasazení povodňových situací do terénu a řešení 2D a 3D přístupu k datům. Posledním základním modulem je modul Webový server, který zajišťuje komunikaci s uživateli a předává jim data v podobě, která je vyžadována zařízením, kterým daný uživatel disponuje.
686
Dané moduly a jejich submoduly musí mezi sebou navzájem nějakým způsobem komunikovat. Aby byla zajištěna nezávislost modulů, bylo potřeba zvolit technologii, která je implementačně nezávislá. Momentálně nejlepším řešením, které bylo také zvoleno, se jeví nasazení webových služeb. Webové služby umožňují snadné propojování modulů a submodulů pomocí sítě internet, jednoduchou zaměnitelnost modulů a komunikaci standardizovanou formou. Zejména díky těmto vlastnostem se systém stává velmi pružný, distribuovaný a implementačně naprosto nezávislý. V současné době je systém ve stádiu funkčního prototypu, který splňuje zejména požadavky dvou základních scénářů, které jsou zmíněny výše a jejichž obsahem je koordinace výpočtů a zobrazení aktuální i historické povodňové situace. Ve webovém prohlížeči je možno si zobrazit 2D zobrazení situace povodí, procházet si historická povodňová data posunem o nastavitelnou hodnotu (obr.2), zapínat a vypínat jednotlivé zájmové vrstvy, jako jsou vodní plochy, řeky, budovy, silnice apod. (obr.3 a 4). Druhý scénář se týká zajištění veškerých výpočtů na základě vnějších podnětů, jako jsou např. dodávka nových meterologických dat, kdy je spuštěn celý proces simulace povodňové situace na základě těchto dat a nový výsledek je uložen do systému.
Obrázek 2. Simulace záplavového jezera na základě dat ze dne 17.2.2002
687
Obrázek 3. Simulace záplavového jezera – zobrazení komunikací, vodních ploch a porostů
Obrázek 4. Simulace záplavového jezera – zobrazení zástavby a komunikací Bylo nutné zajistit a vytvořit několikrát zde zmiňovanou architekturu systému, jednotlivé moduly a provázat je mezi sebou. Toto vše je potřeba koordinovat a řídit pomocí koordinačního modulu, který je jádrem celého 688
systému a ovládá a zajišťuje všechny scénáře. Kromě nejdůležitější činnosti, kterou je zajištění architektury a její implementace je dalším základním informatickým úkolem projektu vylepšování, hledání a testování alternativních možností 2D zobrazování výsledků a ovládání systému, založených jednak na vlastních, komerčních nebo OpenSource technologiích. Dokončení 3D náhledu na vybranou scénu a vytvoření prototypu 3D zobrazovacího klienta pro ovládání a pohyb a zobrazovaní situace nad terénem. Mezi důležité dlouhodobé úkoly rovněž patří zajištění komunikace systému s externími subjekty a to tak, aby splňoval veškeré bezpečnostní požadavky, které jsou na tuto komunikaci kladeny. V rámci otestování rozšíření systému o komunikaci se systémy s odlišným nebo doplňkovým zaměřením bylo realizováno propojení povodňového systému FLOREON se systémem pro sledování provozu automobilů na základě jednotek, které jsou v nich umístěny (obr. 5). Propojení s takovýmto systémem může přinést do budoucna různé výhody, jako například sledování a směrování záchranářských vozidel a dopravy dle aktuální povodňové situace, či naopak sledování a vyhodnocení povodňové situace dle pohybu vozidel.
Obrázek 5. Zobrazení pohybu sledovaných vozů během dne Informační systém samotný by nebyl moc platný, kdyby nebyl naplňen potřebnými daty a neposkytoval širokou škálu možností zpracování těchto vstupních dat v modelech a simulacích. Dodání a patřičné zpracování dat jako jsou například terény, schémata 689
povodí apod. je úkolem pro geoinformatickou část projektu. Jednorázovým dodáním těchto dat ovšem úloha zdaleka nekončí, ale naopak je potřeba se o tyto data patřičně starat a aktualizovat je. Příkladem mohou být sběry operativních a stavových dat. Významnou kapitolu tvoří využití dálkového průzkumu Země (optické metody, radarové metody, LIDAR). K procesům získávání a transformace dat patří i pokročilé interpolační postupy. Pro dodání informací o povodňových stavech daného území je potřeba z hlediska hydrogeologie zajistit potřebná vstupní a výstupní data. Zejména se jedná o vstup hydrometerologických dat, srážkoodtokové a hydrodynamické modely a jejich správnou kalibraci a využití. Jako zkušební oblast pro otestování dodávky všech možných dat, nastavení modelů a postupů byla zvolena oblast povodí Stonávky. V oblasti matematického modelování bylo v průběhu řešení projektu dosaženo následujících výsledků: • Vytvoření a implementace zcela nového srážkoodtokového modelu, který shrnuje příspěvky hypodermického odtoku (použití integrálu konvoluce pro výpočet retardované kumulativní infiltrace hypodermické vody v zóně aerace, zjednodušené diferenciální rovnice pro výpočet proudění hypodermické vody) a příspěvky povrchového odtoku (metody nestacionárních lineárních a nelineárních izochron, respektující lineární růst rychlosti proudění vody v recipientu v důsledku zvětšování přímého průtoku z konzumční křivky) k povodňové vlně. • Sestavení a implementace hydrodynamického modelu založeného na řešení Saint-Venantových rovnic v 1D (centrální metoda typu highresolution neobsahující Riemannův řešič, aplikovatelná složkově na jednotlivé rovnice soustavy). V současnosti se připravuje experimentální kód pro 2D úlohy. • Implementace podpůrných algoritmů jako je automatická aproximace koryt řek pomocí pravidelných lichoběžníků či výpočet zátopových jezer v terénu. Další směřování projektu
Co se týče dalšího směřování projektu, je dále potřeba kromě již výše zmiňovaných dlouhodobých úkolů pracovat na následujících úkolech: Informatická část: • Neustále sledovat a integrovat do systému nové technologie umožňují efektivnější využití systému. • Zajistit možnost propojení systému s jinými systémy typu integrovaný záchraný systém, systémy krizového řízení, či systémy krizového plánování. 690
• Detailně propracovat a zajistit dynamičnost systému spočívající například v dynamické zaměnitelnosti jednotlivých modulů a submodulů v real-time provozu • Validace a verifikace dat proudících systémem a ven či dovnitř systému. • Testování a efektivní rozložení zátěže systému jako celku. • Možnost vybudování autonomního systému inteligentních čidel, která poskytnou další vstupní data do systému. • V neposlední řadě zde existuje možnost datové analýzy uložených historických a simulovaných výsledků a na jejím základě formulovat a predikovat možné scénáře dalšího vývoje, ať již povodňové nebo jiné krizové situace. Gis a hydrogeologie: • Variantní řešení pro vstupy hydrometeorologických dat (adjustovaný radar, MEDARD/MM5, ALADIN - stanice, centroidy subpovodí, gridy) • Vypracovani metodiky srovnani MEDARD a ALADIN (ETS (equitable threat score) v souladu s požadavky a deklarovaným zájmem ze strany CHMU/ALADIN) a provedení tohoto srovnání • Pokračování verifikace a validace modelů • Implementace SAC-SMA algoritmu v HEC-HMS pro dlouhodobé simulace • Dokončení vývoje komponent pro webové senzorové sítě, umožňující online porovnávání stavu modelového i realného světa • Účast na dokončeni vývoje aplikace Hydrological Model Builder Matematické modelování: • Zpřesňování srážkoodtokového modelu (časový průběh vsaku-obdoba Hortonovy křivky, řešení průtokové vlny při obecném časovém průběhu deště pomocí genetického vzorce odtoku, modely tání sněhu a ledu, atp.) • Zpřesnění a efektivní řešení hydrodynamického 2D modelu a jeho implementace (centrální metoda typu high-resolution, propojení 1D a 2D modelů, algoritmus umožňující současně simulaci proměnného dna, malých a nulových hloubek a ustálených stavů). • Analýza nejistot matematických modelů (metody perturbací případně jiné stochastické metody). • Inverzní modelování (odhad parametrů numerických modelů na základě skutečných vstupů). • Šíření nečistot (tvorba modelů a jejich implementace). Dále je zejména potřeba posoudit a zvážit možnosti rozšíření projektu o další nepříznivé jevy, k čemuž je námi vyvíjený systém připraven a záleží jen na rozhodnutí, kdy a jaké jevy do systému zapojit.
691
Závěr
Dle našeho názoru a na základě velmi pozitivních ohlasů externích subjektů, které již jsou nebo chtějí být zainteresovány na daném projektu, ať již dodávkou dat, spoluprací, nebo jen vidinou oboustraně prospěšného spojení našeho projektu s jejich projekty či systemy (např. systémy krizového řízení, systémy krizového plánování apod.) lze jednoznačně říci, že daný projekt je a bude beze všech pochybností přínosný a inovační ve všech ohledech a aspektech, které nabízí. Díky své otevřené architektuře je vyvíjený systém a potažmo celý projekt schopen zahrnout a zpracovat veškeré možné požadavky, které mohou být v budoucnu kladeny na takovýto unikátní integrační projekt.
692
Porucha izolačního odporu jako iniciátor vzniku požáru a možnosti jejich laboratorního zkoumání pro potřebu PTE Ing. Karel VOŘÍŠEK, Ing. Otto DVOŘÁK, Ph.D. MV - GŘ – HZS ČR – Technický ústav PO Písková 42, 143 01 Praha 4 e-mail:
[email protected] Klíčová slova
Izolační odpor, izolační materiál, izolace, dielektrikum, elektrická pevnost, revize a kontrola elektrických zařízení. Abstrakt
Porucha izolace a vznik přechodového odporu na kontaktech představují dvě frekventované příčiny vzniku požáru v důsledku poruch elektrického zařízení. Příspěvek je věnován první příčině, poruše izolačního odporu. Izolační materiály pro kabely a elektrická zařízení se v současné době vyrábějí převážně z plastů. Snížení izolačního odporu vede ke zvýšení svodového proudu izolantu a tím ke zvýšení jeho teploty vlivem vývinu Joulova tepla. Izolant postupně ztrácí svoje izolační a také mechanické vlastnosti. Požár potom může vzniknout buď vlivem zvýšení teploty nad teplotu vznícení plastů tvořících izolaci, nebo v důsledku ztráty mechanických vlastností izolantu dojde ke zkratu a vzniku obloukového výboje. Úvod
Elektrická zařízení patří podle zákona č.338/2005 Sb. mezi vyhrazená technická zařízení se zvýšenou mírou ohrožení zdraví a bezpečnosti osob a majetku, která podléhají dozoru podle tohoto zákona. Protože jsou elektrická zařízení zařazena mezi vyhrazená, tedy se zvýšenou mírou ohrožení chráněných zájmů, je třeba při činnostech s nimi postupovat podle platné legislativy. Podle stupně nebezpečnosti se vyhrazená technická zařízení zařazují do tříd a stanoví se způsob prověřování odborné způsobilosti organizací a osob k činnostem na těchto zařízeních a ověření technického stavu elektrických zařízení. Technický stav elektrických zařízení se ověřuje především pomocí kontrol a revizí. Odpovědnost za plnění těchto požadavků je stanovena vedoucím pracovníkům na všech stupních řízení a v rozsahu svých funkcí. Povinnost provádět kontroly a revize se vztahuje rovněž na samostatně podnikající pracovníky bez dalších zaměstnanců. Iniciování požáru od elektrického zařízení může nastat ze dvou příčin. Jednou je iniciování požáru z důvodu poruchy elektrického zařízení druhou je vývin statické elektřiny v důsledku provozu zařízení.
693
Z technického hlediska se elektrická zařízení dělí na dvě části, část napájecí (instalace) a část spotřebičů. Pro obě části jsou vyvinuty postupy pro provádění kontrol a revizí a měřicí zařízení a přístroje pro provádění této činnosti. Při správném používání a za normálních podmínek je možno současné elektrické instalace považovat za bezpečné. Jako nejčastější příčiny iniciace požáru je možno v souvislosti se závadami zjišťovanými při revizích elektrických zařízení a z výsledků expertíz vzorků odebraných z požářiště považovat: - snížení izolačního odporu v instalaci s následným vznikem svodu, zkratu a elektrického oblouku. Příčinou poklesu izolačního odporu jsou v převážné míře mechanické podněty a tepelné působení z vnějšku nebo v důsledku přetížení vodičů. - zvýšení přechodového odporu spojů s vývinem tepla - zásahy do jištění před nadproudy a jiné laické zásahy ignorující základní bezpečnostní opatření Tento příspěvek se zaměřuje na iniciování požáru z důvodu poruchy elektrického zařízení v důsledku snížení izolačního odporu. 1. Izolační materiály
Izolační materiály představují jednu z nejdůležitějších součástí elektrotechnických zařízení. Ideální izolační materiál by byl složen z látky, která neobsahuje žádné volné nosiče náboje. Ideální izolační materiál se uplatňuje pouze v teoretických úvahách, ale v praxi jsou nerealizovatelné. Každý reálný izolační materiál obsahuje určité množství volných nosičů náboje, které v něm vznikají za daných podmínek působením různých vlivů (záření, teplo, absorbce vody apod.). Dielektrikem se rozumí látka, v níž může existovat elektrické pole a jejíž rozhodující vlastností je schopnost polarizovat se v tomto poli. Každý izolační materiál je dielektrikem, nikoli však obráceně. Z izolačních materiálů se vyrábějí izolátory a izolace. Izolátor je výrobek, který už byl vytvarován nebo jinak technologicky upraven pro konkrétní použití(izolátory pro stožáry vn apod.). Izolace je vyrobena z jednoho nebo více izolačních materiálů. Požadované vlastnosti izolačních materiálů se vyjadřují pomocí materiálových charakteristik, které představují soubor vlastností za určitých podmínek. Kromě elektrických sem patří také vlastnosti mechanické(mechanická pevnost, tažnost, aj.), tepelné (tepelná vodivost, měrné teplo, zápalná teplota, teplota tání), chemické(navlhavost, chemická degradace, reaktivita aj.). Materiálové charakteristiky závisí na mnoha parametrech (teplota, tlak, napětí frekvence aj.). Nejsou to tedy ve skutečnosti materiálové konstanty ale závisí na mnoha parametrech. Pro správné použití daného izolačního materiálu nestačí znát pouze jeho materiálové charakteristiky, ale také změny, ke kterým dojde při provozu v reálných podmínkách. Kromě výše uvedených parametrů mechanických 694
a chemických jsou důležité hlavně parametry elektrické ze kterých jsou nejdůležitější tzv. dielektrické charakteristiky to je konduktivita σ(S/m), relativní permitivita εr, ztrátový činitel tg δ, a elektrická pevnost Ep (V/m). Relativní permitivita a ztrátový činitel jsou parametry, které se uplatňují na vyšších frekvencích. Pro izolační materiály pracující na frekvenci rozvodné elektrické sítě 50 Hz je dominantní elektrická pevnost a konduktivita. V technické praxi je určení elektrické pevnosti obtížné, protože vyžaduje speciální zkušební a měřicí zařízení (vn napěťové zdroje, vn voltmetry apod.). Konduktivita je převrácenou hodnotou izolačního odporu, který je možno měřit zavedenými měřicími metodami. Proto měřicí přístroje určené pro revizi elektrických zařízení jsou kromě dalších elektrických veličin uzpůsobeny na měření izolačního odporu. 2. Izolační odpor
Izolační odpor je činný odpor izolantu a skládá se ze dvou částí. Z vnitřního odporu a z povrchového odporu izolantu. Vnitřní odpor izolantu je poměr stejnosměrného napětí a proudu tekoucího vnitřkem zkoušeného vzorku mezi dvěma přiloženými elektrodami. Měrný vnitřní odpor je vnitřní odpor vztažený na jednotku plochy izolantu. Povrchový odpor izolantu je poměr stejnosměrného napětí a proudu na povrchu vzorku mezi dvěma přiloženými elektrodami. Vlivem napětí přiloženého na izolant, prochází izolantem izolační proud. Ten má dvě složky. Povrchový proud tekoucí po povrchu izolantu a prosakující proud, který prochází vnitřkem izolantu. Povrchový proud závisí na napětí, stavu povrchu(prach, saze apod.) a hlavně na vlhkosti. Prosakující proud závisí na fyzikálních vlastnostech izolantu, tloušťce izolantu a je úměrný intenzitě elektrického pole až do hodnoty zvané prahový gradient. Při dosažení hodnoty prahového gradientu dochází k nárazové ionizaci, roste počet volných nosičů náboje a jejich pohyblivost a izolant přestává plnit svou funkci. Izolační proud prudce vzrůstá a vzniká nebezpečí průrazu izolantu. Průraz izolantu představuje vždy nekontrolovatelné zvýšení elektrické vodivosti, které může být dočasné nebo trvalé. Elektrická pevnost se definuje jako podíl napětí Up (průrazné napětí), při kterém dojde za daných podmínek k průrazu, a tloušťky d izolantu (dielektrika):
Ep =
Up d
(V/m)
(1)
Pro homogenní elektrického pole má elektrická pevnost Ep jasný fyzikální smysl. Představuje intenzitu pole, při kterém dojde k průrazu. Pro nehomogenní pole je typickou konvenční charakteristikou, neboť různé materiály můžeme vzájemně porovnávat jen tehdy, pokud byly výsledky získány za stejných podmínek. Tyto podmínky obvykle předepisují příslušné normy, např. (ČSN 34 695
64 63). Ztráta izolačních schopností nastává ve velmi krátkém čase, řádově 10-8 s. Při čistě elektrickém průrazu hodnoty Ep nejlépe vypovídají o vlastnostech materiálu v závislosti na jeho fyzikálním stavu a struktuře popř. chemickém složení. Z ostatních činitelů je ovlivňuje pouze frekvence a plocha elektrod. Zjišťují se zkouškami, při kterých se na izolant připojí vysokonapěťový impuls(rázovou vlnu). Tvar rázové vlny je přesně předepsán normou. Elektrický průraz je elektronové povahy a většinou je nevratný, tzn. že v jeho důsledku dojde k propálení vodivé cesty mezi elektrodami. Podíl elektronů na vodivosti je za normálních podmínek poměrně malý, avšak při vysokých hodnotách intenzity elektrického pole je situace odlišná. V izolantech také mohou existovat v zkázném pásu obsazené hladiny, které jsou důsledkem příměsí nebo poruch struktury. Za přispění vnějšího elektrického pole mohou být elektrony z těchto hladin snadněji uvolňovány do vodivostního pásu a potom pro ně platí podobné zákonitosti jako ve vodičích. V izolantech však mohou být opět zachyceny v některé z pastí souvisejících s dalšími poruchami materiálu. Záleží na délce volné dráhy elektronu, kolik získá energie potřebné k ionizaci okolních molekul. Tyto elektronové jevy jsou doprovázeny jevy tepelnými, optickými, chemicko degradačními aj. Hodnoty elektrické pevnosti jsou těmito činiteli následně ovlivněny. Protože s rostoucí teplotou se zvyšuje koncentrace volných elektronů, klesá s teplotou také elektrická pevnost. Podobně se mohou projevovat také účinky ionizujícího záření. Jestliže pod vlivem elektrického pole dochází v izolantu k nevratným chemickým změnám, v důsledku kterých se zhoršují jeho izolační vlastnosti jedná se o elektrochemický průraz. Vyskytuje se zejména při působení stejnosměrného pole v důsledku elektrolýzy a je projevem elektrochemického stárnutí izolantu. Elektrická pevnost je dále závislá na frekvenci a je různá podle typu průrazu. Při čistě elektrickém průrazu hodnoty Ep s frekvencí klesají. Při elektrochemickém průrazu se s rostoucí frekvencí obvykle zlepšují podmínky provozu izolantu, protože tento průraz se uplatňuje zejména ve stejnosměrném poli, a proto Ep roste. V praxi se ukazuje jako důležitý tzv. tepelný průraz. Izolant se ve střídavém elektrickém poli projevuje též jako dielektrikum svými dielektrickými ztrátami. Pod vlivem střídavého elektrického pole se volné i vázané náboje v dielektriku pohybují a energie elektrického pole se přeměňuje v jejich kinetickou energii. Část této energie se v důsledku srážek nosičů náboje s okolními neutrálními částicemi přemění v teplo a jeví se jako ztrátová. Náboje v dielektriku působením střídavého elektrického pole se snaží sledovat svým posunem vnější pole, aby zaujaly polohu s minimální energií. Toto sledování se nazývá polarizace a probíhá vždy s určitým zpožděním. Celý jev můžeme sledovat na vektorovém diagramu v komplexní rovině na obr. č.1. V kondenzátoru s bezeztrátovém dielektriku proud Ic předbíhá napětí na π
kondenzátoru Uc o čtvrtinu vlnové délky tj. o 4 . Ve ztrátovém dielektriku je proud Ir zpožděn proti ideálnímu dielektriku o úhel δ ( ztrátový úhel dielektrika) 696
π
a jeho fáze Φ je menší než 4 . Ztrátový úhel δ je možno vzít jako míru energie přeměněné v dielektriku v teplo.
Ic
Ir
ωt
δ Φ Uc
Re
Obr.č.1 Vektorový diagram napětí a proudu na kondenzátoru V praxi ji vyjadřujeme pomocí ztrátového činitele tg δ. Reálný ztrátový výkon lze vyjádřit pomocí výkonu střídavého proudu. Vzhledem k malým hodnotám ztrátového úhlu ve většině dielektrik můžeme sinus nahradit tangentou a položit cosΦ = tgΦ. Pro deskový kondenzátor s kapacitou:
C = ε r .ε 0 .
S d
(F)
(2)
1 (ω = 2.π . f ) (Ω) ωC
(3)
a kapacitancí: XC =
S……plocha elektrod d……vzdálenost elektrod ε0….. permitivita vákua εr ..…relativní permitivita Potom je ztrátový výkon: S P = U .I . cos Φ = U 2 .ω .ε 0 .ε r . .tgδ d
(W=V.A)
(4)
(W/m-3)
(5)
Ztrátový výkon na jednotku objemu: p=
P = E 2 .ω .ε 0 .ε r .tgδ S .d
Pro kvalitní nízkoztrátová dielektrika je tgδ = 10-4 – 10-3. V důsledku 697
dielektrických ztrát vzniká v izolantu tepelně elektrická nerovnováha a pokud množství tepla převyšuje teplo odváděné do okolí, teplota dielektrika stoupá. Vznikající teplo je popsáno vztahem (4). Napětí je v této rovnici parametrem. Se vzrůstající teplotou se zvyšuje počet volných elektronů až dojde k průrazu. Tento průraz se označuje jako tepelný. Ztrátový výkon je teplotně závislý hlavně vlivem teplotní závislosti tg.δ a roste přibližně exponenciálně a liší se podle druhu materiálu. Teplotní závislost tepla na napětí a teplotě okolí je na obr.č.2. Odváděné teplo Q je však přibližně úměrné teplotní odchylce od teploty okolí T0 a lze ho popsat rovnicí: Q = β .S .(T − T0 )
(6)
β…….koeficient odvodu tepla S…….plocha chlazení T…….okamžitá teplota Q
P Q
P2
U2
P1
U1
T0
T1
T2
T3
Obr.č.2 Teplotní závislost tepla vznikajícího při napětí U1, U1>U2 a odváděného do okolí o teplotě T0. Na počátku připojení napětí na dielektriku je okamžitá teplota dielektrika T rovna teplotě okolí T0, odvod tepla je nulový, ale vznikající ztráty mají nenulovou hodnotu P1. Teplota vzrůstá až do hodnoty T1, kdy se ustanoví tepelně elektrická rovnováha, neboť P=Q. Jedná se o rovnováhu stabilní, protože odváděné teplo se při náhodném zvýšení teploty zvýší než vyvíjené (body přímky leží nad exponenciálou), a teplota se proto sníží opět do bodu T1. Při náhodném snížení teploty se dostaneme nalevo od T1 , kde je P větší než Q, a proto se dielektrikum ohřeje opět na teplotu T1. Při napětí U1 by dielektrikum mohlo pracovat i při teplotě T3 , kdy je rovněž splněno P=Q. Zde se však jedná o rovnováhu nestabilní, neboť při náhodném zvýšení teploty je napravo od T3 P>Q, a proto teplota bude stále vzrůstat až do průrazu. Při napětí U2, které je zvoleno tak, aby se exponenciála ztrát se dotýkala přímky chlazení, vznikne v bodě T2 rovnovážný stav, který je labilní z obou stran. Při náhodném zvýšení 698
teploty dojde k průrazu. Rovnovážné stavy lye popsat rovnicí pro P=Q. Z rovnic (4) a (6) za předpokladu, že plochy chlazení a ohřevu jsou stejné: S U 2 .ω .ε 0 .ε r . .tgδ = β .S .(T − T0 ) d
(7)
Pro neznámou T je rovnice (7) řešitelná pouze numericky, protože tgδ závisí na T. Vhodnější je vyjádření napětí U, které můžeme připojit na dielektrikum při známé teplotě T. U=
β .(T − T0 ).d ω .ε 0 .ε r .tgδ
(V)
(8)
V praxi je situace komplikovanější, protože teplota nevzrůstá v dielektriku ve všech místech stejně. K větší kumulaci tepla dochází v místě průrazu. Rovněž stanovení koeficientu β pro konkrétní zařízení v praxi je obtížné a málo přesné. 3. Využití měřicích přístrojů, určených pro revize elektrických zařízení, pro zjišťování příčin vzniku požáru v důsledku poruchy izolačního odporu.
Měření izolačních odporů patří do oblasti specálních měření, kde se nedá použít běžně dostupných měřicích přístrojů jako jsou multimetry, běžné ohmetry, běžné laboratorní zdroje apod. Postupy měření izolačního odporu při zjišťování poruchového stavu izolace jsou stanoveny normou ČSN 33 16 10. K měření se musí používat měřicí přístroje stanovené normou ČSN EN 61010-1. Jedná se o megaohmetr a zdroj zkušebního napětí min.500V při zatížení min.1mA po dobu 5s – 10s. Použití těchto přístrojů je možné vcelku uspokojivě realizovat v laboratoři, ale pro použití v terénu jsou nevhodná, protože měření je ovlivňováno řadou vedlejších faktorů jako je teplota, zejména pak vlhkost a v neposlední řadě lidským faktorem. Proto byla v rámci DVÚ č.7 „Zkušební metody a zařízení pro identifikaci technických závad na vybraných elektrických armaturách a elektrických zařízeních/přístrojích jako příčin vzniku požárů a/nebo následného výbuchu“ řešena otázka využití měřících přístrojů určených pro provádění elektrických ravizí. Byly zakoupeny dva přístroje. Přístroj PROFITEST 0100S-II, kterým je možné zjistit všechny hodnoty požadované pro revizní zprávy nebo přejímací protokoly např. podle ČSN 33 1500 a ČSN 33 2000-6-61 a dalších.Je určen pro zkoušení napájecích vedení a ochranných prvků. Přístrojem je možno provádět až 48 druhů měření. Izolační odpor měří v rozsahu 50kΩ -300MΩ při proudu 1,5 mA. Druhým přístrojem je SECUTEST 0701/0702SII určený pro revize elektrických zařízení. Zahrnuje všechny zkoušky požadované normou ČSN 33 16 10. Izolační odpor měří v rozsahu 10kΩ – 300MΩ. Oba přístroje byly ověřeny pro použití při zjišťování příčin požárů z důvodu poruchy elektrického zařízení a jsou pro tento účel používány.
699
Závěr
Porucha izolačního stavu elektrických zařízení je ve většině dlouhodobou záležitostí a je při provozu obtížně zjistitelná. Proto je důležité provádění pravidelných revizí a kontrol elektrických zařízení, při kterých je měření izolačního odporu jednou ze sledovaných veličin. Kontrola elektrického spotřebiče, která zahrnuje veškerá opatření ke zjištění a posouzení jeho stavu se provádí podle normy ČSN 33 16 10. (Revize a kontroly elektrických spotřebičů během jejich používání). Při revizi a kontrole elektrického zařízení se měří odpor ochranného vodiče (čl. 6.4), izolační odpor (čl.6.5), proud protékající ochranným vodičem (čl. 6.6), dotykový proud (čl. 6.7) a měření náhradního unikajícího proudu (čl. 6.8). Součástí revize a kontroly je dále vizuální prohlídka zařízení a funkční zkouška. Kontrolu předepsanou v ČSN 33 16 10 je možno provést jen pokud je v pořádku připojení k síti. Proto pro měření se smějí používat pouze měřidla, která prověří připojení k síti a změří síťové napětí. Požadavky na na měřicí zařízení, která smějí být použita pro provádění revizí, jsou předepsány normou ČSN EN 61010-1. V normě ČSN 33 16 10 (Revize a kontroly elektrických spotřebičů během jejich používání) je měření izolačního odporu věnován článek 6.5 a příloha C, ve které jsou předepsána schemata měření pro jednotlivé druhy spotřebičů. Minimální hodnoty izolačního odporu jsou v tab.1. Tab. 1 Izolační odpory spotřebičů Spotřebič třídy ochrany
I
Izolační odpor spotřebičů (M ) Držených za provozu v ruce
ostatních
2
Tepelných s příkonem nad 3,5 kW
0,3
ostatních
1
II
7
2
III
0,25
0,25
Použitá literatura
[1] Trnka, Z. Teoretická elektrotechnika, Praha: SNTL/ALFA, 1970. [2] Horák, Z. Krupka V. Technická fyzika . Praha :SNTL, 1960. [3] DVÚ č.7 „Zkušební metody a zařízení pro identifikaci technických závad na vybraných elektrických armaturách a elektrických zařízeních/přístrojích jako příčin vzniku požárů a/nebo následného výbuchu“. Praha: TÚPO, 2006. [4] ČSN 33 16 10 [5] ČSN EN 61010-1 700
Wybrane działania z zakresu profilaktyki przeciwpożarowej w polskich lasach mł. bryg. dr inż. Jarosław ZARZYCKI Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie ul. Słowackiego 52/54, 01-629 Warszawa, Polska
Analizując historyczne kroniki i dokumenty pod kątem występowania pożarów, dochodzimy do wniosku, że ogień towarzyszył człowiekowi od bardzo dawna. Ogień to jeden z podstawowych wynalazków okresu prehistorycznego naszej cywilizacji. Najdawniejsze dzieje człowieka są nierozerwalnie związane z ogniem. Oprócz zdolności posługiwania się wieloma narzędziami, człowiek potrafił też posługiwać się ogniem jako źródłem światła i ciepła oraz dzięki któremu możliwe były wędrówki naszych przodków na tereny o chłodnym klimacie. Człowiek wykorzystywał ogień na wiele sposobów, m. in. odstraszał nim drapieżniki i urozmaicał sobie dietę. Obecność ognia nie tylko zmieniła życie w domu, nazywane od dawna „domowym ogniskiem”, ale dzięki niemu rozwinęło się wiele gałęzi gospodarki wykorzystujące ogień. Alchemicy uznawali ogień jako żywioł niszczenia, ale jednocześnie odnowy i życia. Pierwszym uczonym, który podjął próbę zbadania ognia metodami naukowymi był chemik Antoine Lavoisier w 1775 r. W różnych epokach i kulturach ogień odzwierciedlał energię, a także źródło katastrof – pożary. Obok wody, powietrza i ziemi był uważany za jeden z czterech żywiołów – podstawowych elementów przyrody. Ogień sprzyjał człowiekowi w jego trwaniu i przetrwaniu, ale przy okazji za przyczyną ognia niszczone było z winy człowieka środowisko przyrodnicze. Pożar powstały z przyczyny naturalnej (wyładowanie atmosferyczne) należy uznać za czynnik ekologiczny, podobnie jak temperaturę czy opady atmosferyczne. Jest nawet grono ekologów, którzy twierdzą, że rozwój środowiska przyrodniczego, w tym lasów jest uzależniony od występujących cyklicznie (raz na kilkadziesiąt – kilkaset lat) pożarów. Ich zdaniem, aby las mógł prawidłowo się rozwijać, potrzebny jest mu ogień, tak jak potrzebne są mu opady atmosferyczne, promieniowanie słoneczne czy wiatr. Trudno jest wyznaczyć granice dobrego i złego oddziaływania pożarów na środowisko leśne. W obecnych jednak czasach coraz mniej jest różnorodnych gatunkowo pierwotnych zbiorowisk roślinnych, które były bardziej odporniejsze na ogień niż te gospodarczo zmienione przez człowieka. Dlatego w naszych dzisiejszych warunkach pożary lasów powstają głównie z winy człowieka i w lasach pozbawionych naturalnego mechanizmu obronnego. Stąd pożary lasów kwalifikujemy do grupy czynników szkodotwórczych – antropogenicznych. Pożary lasów są więc niszczycielskim żywiołem, który bez ingerencji człowieka doprowadziłby do zagłady olbrzymie 701
powierzchnie ekosystemów leśnych lub znacznie obniżył ich odporność. W większości przypadków wywołuje on działania niepożądane z punktu widzenia człowieka, tak w sensie gospodarczym, jak i ekologicznym oraz społecznym. Dlatego istniejące lasy należy za wszelką cenę chronić przed pożarami poprzez działalność profilaktyczną, a w razie powstania pożaru zwalczać go wszelkimi dostępnymi siłami i środkami. Ogień w lesie pojawia się jednopunktowo, wielopunktowo lub liniowo. Jednopunktowe zapalenie może pochodzić od porzuconego niedogaszonego niedopałka papierosa, wyładowania atmosferycznego, niedogaszonego ogniska lub celowego podpalenia w jednym miejscu. Wielopunktowe zapalenia mogą wystąpić w wyniku przejazdu przez teren leśny pojazdów czy maszyn drogowych lub szynowych bez należytego zabezpieczenia przed iskrzeniem, np. w wyniku niesprawnie działającego układu hamulcowego. Przykładem zaś liniowego zapalenia może być długa linia ognia przechodząca z terenów rolnych na leśne w wyniku wypaleń łąk, nieużytków lub pozostałości po zbiorze zbóż (słomy). Każde pojawienie się ognia na terenie leśnym lub w jego pobliżu jest dla obecnego lasu początkiem katastrofy przyrodniczej. Źródłem takiej katastrofy obok pożarów są również zanieczyszczenia przemysłowe (głównie dwutlenek siarki i tlenki azotów), powodzie, susze lub silne wiatry. Pożary lasów oddziałują na człowieka w stopniu lokalnym i globalnym. Lokalnie występujące pożary lasów powodują głównie straty w mieniu, zaś spojrzenie na te same pożary w aspekcie globalnym, prowadzi do powolnych zmian klimatycznych, które rozłożone w czasie i przestrzeni będą zagrażać ludziom na naszej planecie poprzez wzrost średniej temperatury rocznej. Doprowadzi to prawdopodobnie do zmiany istniejących klimatów na bardziej cieplejsze i suchsze, co w konsekwencji sprawi zwiększenie liczby pożarów i ich wielkości. Na obszary leśne z obecną dominacją drzewostanu iglastego będą wkraczać gatunki drzew ciepłolubnych, takich jak lipa, dąb, jesion czy wiąz, co z punktu widzenia pożarowego jest korzystne. Spalanie podczas pożarów lasów niezależnie od tego czy przebiega ono pod powierzchnią gleby (spalanie bezpłomieniowe), czy na jej powierzchni (spalanie bezpłomieniowe i płomieniowe), doprowadza do zmian fizycznych, chemicznych i biologicznych gleby leśnej, a także ogranicza i tak ubogą różnorodność biologiczną lasu, zwłaszcza w monokulturach iglastych. Po przejściu linii ognia w środowisku leśnym pojawiają się sprzyjające warunki do rozwoju szkodliwych owadów i grzybów patogenicznych. Pojawienie się spalania w zbiorowisku materiałów organicznych jakim jest las, zależne jest od kilku czynników. Jednym z nich są opady atmosferyczne zmieniające wilgotność ściółki i powietrza. Na podstawie prac badawczych Samodzielnej Pracowni Ochrony Przeciwpożarowej Lasu Instytutu Badawczego Leśnictwa w Sękocinie k/Warszawy można stwierdzić, że w polskich warunkach możliwość zainicjowania spalania ściółki przy jej wilgotności wynoszącej 27 % - jest praktycznie niemożliwe. To nie oznacza, że suche trawy i leżące na ściółce uschnięte gałęzie, nieokrzesane ścięte lub powalone drzewa oraz przeschnięty 702
chrust i odpady poeksploatacyjne nie mogą ulegać spalaniu nawet, gdy wilgotność ściółki wynosi 27 % i więcej. Zainicjowanie spalania tych materiałów jest możliwe nawet powyżej 27 % wilgotności ściółki oraz szybki rozwój i rozprzestrzenianie się pożaru w lesie. Dlatego m. in. w rozporządzeniu ministra spraw wewnętrznych i administracji z dnia 21 kwietnia 2006 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz. U. Nr 80, poz. 563) istnieje art. 35., ust. 1, w którym jest mowa, że „W odległości mniejszej niż 30 m od skraju toru kolejowego lub drogi publicznej pozostawianie gałęzi, chrustu, nieokrzesanych ściętych drzew i odpadów poeksploatacyjnych jest zabronione”. Zgodnie z danymi Instytutu Badawczego Leśnictwa, prawie 3/4 pożarów lasów powstaje dość łatwo przy wilgotności ściółki poniżej 11 %, temperaturze powietrza powyżej 22 oC i wilgotności względnej powietrza poniżej 46 %. Przy takich warunkach meteorologicznych w połączeniu z długotrwałym okresem suszy, wietrze o prędkości powyżej 5 m/s i zachmurzeniu poniżej 5 istnieją bardzo korzystne warunki do bardzo łatwego powstania oraz rozwoju i rozprzestrzeniania się pożarów lasów o dość dużej szybkości liniowej. Taka złożoność niekorzystnych warunków meteorologicznych nazywana jest często pogodą pożarową. Pożary powstają najczęściej między godziną 1300 i 1800, a rozprzestrzeniają się najszybciej między godziną 1100 i 1600. Przy temperaturze powietrza powyżej 20 o C ryzyko powstania pożaru na terenie leśnym na który spadł deszcz, pojawia się już po trzech dniach po opadzie atmosferycznym, a krytyczne ryzyko przy takiej temperaturze powietrza występuje po 10 dniach od opadu deszczu. W Polsce do oznaczania poziomu prawdopodobieństwa zaistnienia pożaru w danym dniu, w zależności od wilgotności ściółki w drzewostanie sosnowym w wieku od 40 do 60 lat, rosnącym na siedlisku boru świeżego i dynamicznych zmian pogodowych (wilgotności względnej powietrza mierzonej na wysokości 0,5 m od powierzchni zadarnionej przy ścianie drzewostanu oraz współczynnika opadowego, ustalanego na podstawie dobowej sumy opadów atmosferycznych, który koryguje stopień zagrożenia pożarowego lasów) - służą stopnie zagrożenia pożarowego lasów. Pomiaru parametrów niezbędnych do oznaczenia stopnia zagrożenia pożarowego dla lasów zaliczonych do I lub II kategorii zagrożenia pożarowego dokonuje się codziennie o godz. 900 i 1300, od dnia 1 marca, jednak nie wcześniej niż po ustąpieniu pokrywy śnieżnej, do 30 września w punktach prognostycznych i pomocniczych punktach pomiarowych w 34 strefach prognostycznych obejmujących duże zwarte obszary leśne w granicach nadleśnictwa albo grupy nadleśnictw wraz z parkami narodowymi. Te duże zwarte obszary leśne najczęściej mają powierzchnię powyżej 10 000 ha. W szerokości geograficznej, w której położone są polskie lasy, pojawienie się spalania w zbiorowisku materiałów organicznych jakim jest las, zależne jest także od pory roku. Na wielkość stopni zagrożenia pożarowego lasów w poszczególnych porach roku wpływ mają opady atmosferyczne - ich rodzaj i ilość. Z porą roku związany jest również stopień wysuszenia roślinności dna 703
lasu (w szczególności traw i wrzosów) i nagromadzonych na nim łatwopalnych materiałów (np. opadłego listowia, pozostałości poeksploatacyjnych, chrustu), a także atrakcyjność turystyczna i obfitość płodów runa leśnego przyciągająca do lasu ludzi, którym towarzyszą różne bodźce energetyczne. Nie bez wpływu na zagrożenie pożarowe lasów w Polsce pozostają niekontrolowane wypalania w sąsiedztwie lasów suchych traw wiosną oraz ściernisk zbożowych i pozostałości roślinnych na nieużytkach i polach uprawnych na przełomie lata i jesieni. Niekiedy przyczyną pożaru lasu są wypalania traw na powierzchniach przeznaczonych do odnowienia oraz spalanie pozostałości zrębowych, a na leśnych terenach poligonów wojskowych ćwiczenia połączone ze strzelaniem i wybuchami. Ilość pokrywy ściółkowej w lasach bywa różna. Bardziej na pożar narażone są drzewa iglaste niż liściaste, ze względu na występowanie w drzewie iglastym palnej żywicy, a w igliwiu olejków eterycznych. Na pokrywie ściółkowej borów w porównaniu z pokrywą ściółkową lasów większa jest ilość opadłego suchego materiału palnego w wyniku oczyszczania się strzał młodników. Zgodnie z danymi Instytutu Badawczego Leśnictwa ilość pokrywy ściółkowej w siedliskach boru suchego oraz świeżego uzależniona jest od wieku drzewostanu i wynosi od kilku do prawie trzydziestu ton na hektar. Im drzewostan starszy tym więcej jest pokrywy ściółkowej. Nieusunięte z pokrywy dna lasu pozostałości masy organicznej po zabiegach pielęgnacyjnych wpływają znacząco na wzrost zagrożenia pożarowego lasów ze względu na powiększenie ilości materiałów łatwo zapalnych. Powstawaniu pożarów w lasach sprzyja również niski stopień zwarcia koron drzew, dzięki czemu urozmaicona szata roślinna dna lasu zanika na korzyść rozwoju traw i wrzosów. Pojawienie się w lesie bodźca energetycznego mającego zdolność zapoczątkować proces spalania jest związane w większości przypadków z ludźmi przebywającymi w lesie lub w jego sąsiedztwie. Takimi bodźcami energetycznymi o temperaturach wyższych od temperatur zapalenia większości materiałów leśnych (temp. zapalenia większości materiałów leśnych zgromadzonych na dnie lasu wynosi ok. 300oC) i o pojemności cieplnej (5 – 18 cal/cm2) zdolnej do rozkładu organicznego materiału palnego z wydzieleniem palnych produktów gazowych (pirolizy), są: płomień zapałki (ok. 800oC), żar z końcówki papierosa (ok. 600oC), powierzchnia katalizatora samochodowego (kilkaset stopni Celsjusza), iskry z rur wydechowych pojazdów lub iskry mechaniczne nawet o temp. powyżej 1000oC pochodzące np. z tarcia klocków hamulcowych o koła lokomotyw i wagonów kolejowych, zerwane przewody linii energetycznych, inne tlące i żarzące się materiały itp. Przyczyną zapoczątkowania spalania w lesie może być wadliwie działające maszyny, urządzenia i środki transportu, jak również wyładowania atmosferyczne (temp. ok. 20 000oC) i samozapalenia biologiczne. Wyładowania atmosferyczne w Polsce są przyczyną zaledwie niespełna 1% pożarów lasów. Są jednak kraje, 704
gdzie wyładowania atmosferyczne są przyczyną kilkudziesięciu procent powstawania pożarów lasów. Tak jest np. w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej i w krajach skandynawskich. Bodziec energetyczny jest jednym z trzech elementów niezbędnych do zainicjowania spalania. Pozostałe dwa to materiał palny i tlen. W przypadku lasów tylko bodźce energetyczne pozostają elementem, który można w ograniczonym zakresie próbować eliminować, aby nie dopuścić do możliwości powstania pożaru w lesie. Nie mamy wpływu na pojawienie się na terenie leśnym wyładowań atmosferycznych, a przed pojawieniem się pozostałych bodźców energetycznych stosujemy szereg przepisów ograniczających. Zgodnie z treścią ustawy z dnia 24 sierpnia 1991 r. o ochronie przeciwpożarowej (Dz. U. Nr 81, poz. 351 z późn. zm.) ochrona życia i zdrowia tak ludzi jak i zwierząt, a także ochrona mienia lub środowiska, w tym także lasów przed pożarem, czy też klęską żywiołową o charakterze katastrofy naturalnej (zdarzenie związane z działaniem sił natury lub wywołane działaniem terrorystycznym), w szczególności pożaru – polega na realizacji przedsięwzięć poprzez: • zapobieganie powstawaniu i rozprzestrzenianiu się pożaru lub klęski żywiołowej, • zapewnienie sił i środków do zwalczania pożaru lub klęski żywiołowej, • prowadzenie działań ratowniczych W ustawie o lasach z 28 września 1991 r. (Dz. U. Nr 101, poz. 444 z późn. zm.) w art. 9, ust. 1, pkt 1 jest mowa, że „ W celu zapewnienia powszechnej ochrony lasów właściciele lasów (osoby fizyczne lub prawne będące właścicielami albo użytkownikami wieczystymi lasu oraz osoby fizyczne, osoby prawne lub jednostki organizacyjne nie posiadające osobowości prawnej będące posiadaczami samoistnymi, użytkownikami, zarządcami lub dzierżawcami lasu), są obowiązani do kształtowania równowagi w ekosystemach leśnych, podnoszenia naturalnej odporności drzewostanów, a w szczególności do wykonywania zabiegów profilaktycznych i ochronnych zapobiegających powstawaniu i rozprzestrzenianiu się pożarów”. W przypadku niewykonania obowiązków, o których mowa wyżej, w lasach nie stanowiących własności Skarbu Państwa zadania właścicieli lasów określa, w drodze decyzji, starosta. Jeżeli właściciel lasu nie stanowiącego własności Skarbu Państwa nie wykonuje obowiązków określonych wyżej albo nie wykonuje zadań zawartych w uproszczonym planie urządzenia lasu lub decyzji (dla lasów rozdrobnionych o powierzchni do 10 ha, niestanowiących własności Skarbu Państwa, zadania z zakresu gospodarki leśnej określa decyzja starosty wydana na podstawie inwentaryzacji stanu lasów), w szczególności w zakresie zabiegów w zakresie ochrony przeciwpożarowej – starosta nakazuje wykonanie tych obowiązków i zadań
705
w drodze decyzji (patrz art. 19, ust. 3 i art. 24). Inny przepis tejże ustawy, a dokładnie art.13, ust. 1. pkt 3 głosi, że „Właściciele lasów są obowiązani do trwałego utrzymywania lasów i zapewnienia ciągłości ich użytkowania, a w szczególności do pielęgnowania i ochrony lasu, w tym również ochrony przeciwpożarowej”. Nawet plan urządzenia lasu powinien zawierać w szczególności określenie zadań, w tym w szczególności dotyczących pielegnowania i ochrony lasu, w tym również ochrony przeciwpożarowej, co stanowi art. 18, ust. 4, pkt 3, pkkt c. Zakaz dot. możliwości pojawienia się w lesie zarzewia ognia w wyniku działalności człowieka ujęty jest w art. 30, ust. 3 i 4 który brzmi: „W lasach oraz na terenach śródleśnych, jak również w odległości do 100 m od granicy lasu, zabrania się działań i czynności mogących wywołać niebezpieczeństwo, a w szczególności: 1. rozniecania ognia poza miejscami wyznaczonymi do tego celu przez właściciela lasu lub nadleśniczego; 2. korzystania z otwartego płomienia; 3. wypalania wierzchniej warstwy gleby i pozostałości roślinnych. Powyższy przepis nie dotyczy działań i czynności związanych z gospodarką leśną, pod warunkiem, że czynności te nie stanowią zagrożenia pożarowego”. Kolejną ustawą wprowadzającą zakaz związany z możliwością pojawienia się w lesie zarzewia ognia w następstwie działania człowieka jest ustawa z dnia 16 kwietnia 2004 r. o ochronie przyrody (Dz. U. Nr 92, poz. 880 z późn. zm.). Art. 15, ust.1, pkt 10 i ust. 2 mówi, że „W parkach narodowych oraz w rezerwatach przyrody zabrania się palenia ognisk i wyrobów tytoniowych oraz używania źródeł światła o otwartym płomieniu, z wyjątkiem miejsc wyznaczonych przez dyrektora parku narodowego, a w rezerwacie przyrody – przez organ uznający obszar za rezerwat przyrody. Zakaz, o których mowa wyżej, nie dotyczy m. in. prowadzenia akcji ratowniczej oraz działań związanych z bezpieczeństwem powszechnym”. Art. 124 tejże ustawy wprowadza kolejny zakaz, który brzmi: „Zabrania się wypalania łąk, pastwisk, nieużytków, rowów, pasów przydrożnych, szlaków kolejowych oraz trzcinowisk i szuwarów.” Z kolei art. 127 mówi o konsekwencjach nie przestrzegania zakazów: „Kto umyślnie narusza zakazy obowiązujące w „formach ochrony przyrody” - podlega karze aresztu albo grzywny.” Przypomnienie powyższego zakazu można odnaleźć również w art. 131, który mówi, że „Kto wypala łąki, pastwiska, nieużytki, rowy, pasy przydrożne, szlaki kolejowe, trzcinowiska lub szuwary - podlega karze aresztu albo grzywny.” Podobne kary za łamanie zakazów związanych z nieostrożnym obchodzeniem się z ogniem lub wykraczaniem przeciwko przepisom dotyczącym zapobiegania i zwalczania pożarów można znaleźć w ustawie z dnia 20 maja 1971 r. Kodeks wykroczeń (Dz. U. Nr 12, poz. 114 z późn. zm.). Art. 706
82. § 1 brzmi: „Kto nieostrożnie obchodzi się z ogniem lub wykracza przeciwko przepisom dotyczącym zapobiegania i zwalczania pożarów, a w szczególności: 1. nie wyposaża budynku w odpowiednie urządzenia lub sprzęt przeciwpożarowy lub nie utrzymuje ich w stanie zdatnym do użytku; 2. utrudnia okresowe czyszczenie komina lub nie dokonuje bez zwłoki naprawy uszkodzeń komina i wszelkich przewodów dymowych; 3. nie usuwa lub nie zabezpiecza w obrębie budynków urządzeń lub materiałów stwarzających niebezpieczeństwo powstania pożaru; 4. eksploatuje w sposób niewłaściwy urządzenia energetyczne lub cieplne lub pozostawia je uszkodzone w stanie mogącym spowodować wybuch lub pożar; 5. nie zachowuje przepisowej odległości od budynków przy ustawianiu stert i stogów lub nie zachowuje obowiązujących warunków bezpieczeństwa przeciwpożarowego podczas omłotów; 6. (skreślony); 7. w lesie lub na terenie śródleśnym albo w odległości mniejszej niż 100 m od granicy lasu: a) używa ciągnika lub innej maszyny bez należytego zabezpieczenia przed iskrzeniem, b) roznieca ogień poza miejscami wyznaczonymi do tego celu, c) pozostawia rozniecony ogień, d) korzysta z otwartego płomienia, e) wypala wierzchnią warstwę gleby lub pozostałości roślinne, f) porzuca nie ugaszone zapałki lub niedopałki papierosów, g) dopuszcza się innych czynności mogących wywołać niebezpieczeństwo pożaru, 8. roznieca lub pozostawia ognisko w pobliżu mostu drewnianego albo przejeżdża przez taki most z otwartym ogniem lub z nie zamkniętym paleniskiem; 9. wbrew ciążącemu na nim obowiązkowi ochrony lasu przed pożarem, nie wykonuje zabiegów profilaktycznych i ochronnych, zapobiegających powstawaniu i rozprzestrzenianiu się pożarów, podlega karze aresztu, grzywny albo karze nagany. § 2. Kto zostawia małoletniego do lat 7 w okolicznościach umożliwiających mu wzniecenie pożaru, podlega karze grzywny albo karze nagany. Art. 83. § 1. Kto nieostrożnie obchodzi się z materiałami wybuchowymi, łatwo zapalnymi lub substancjami promieniotwórczymi albo wykracza przeciwko przepisom o wyrobie, sprzedaży, przechowywaniu, używaniu lub przewożeniu takich materiałów, podlega karze aresztu, grzywny albo karze nagany. § 2. W razie popełnienia wykroczenia można orzec przepadek przedmiotów stanowiących przedmiot wykroczenia.”
707
Ustawa z dnia 6 czerwca 1997 r. Kodeks karny (Dz. U. Nr 88, poz. 553 z późn. zm.) nawiązuje również do pożarów. Art. 163. § 1. mówi, że „Kto sprowadza zdarzenie, które zagraża życiu lub zdrowiu wielu osób albo mieniu w wielkich rozmiarach, mające postać m. in. pożaru - podlega karze pozbawienia wolności od roku do lat 10. § 2. Jeżeli sprawca działa nieumyślnie, podlega karze pozbawienia wolności od 3 miesięcy do lat 5. § 3. Jeżeli następstwem czynu określonego w § 1 jest śmierć człowieka lub ciężki uszczerbek na zdrowiu wielu osób, sprawca podlega karze pozbawienia wolności od lat 2 do 12. § 4. Jeżeli następstwem czynu określonego w § 2 jest śmierć człowieka lub ciężki uszczerbek na zdrowiu wielu osób, sprawca podlega karze pozbawienia wolności od 6 miesięcy do lat 8. Art. 164. § 1. Kto sprowadza bezpośrednie niebezpieczeństwo zdarzenia określonego w art. 163 § 1, podlega karze pozbawienia wolności od 6 miesięcy do lat 8. § 2. Jeżeli sprawca działa nieumyślnie, podlega karze pozbawienia wolności do lat 3.” Kolejnym aktem prawnym wprowadzającym zakaz związany z możliwością pojawienia się w lesie zarzewia ognia w następstwie działalności człowieka jest rozporządzenie ministra spraw wewnętrznych i administracji z dnia 21 kwietnia 2006 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz. U. Nr 80, poz. 563). Art. 35, ust. 1 brzmi: „W odległości mniejszej niż 30 m od skraju toru kolejowego lub drogi publicznej pozostawianie gałęzi, chrustu, nieokrzesanych ściętych drzew i odpadów poeksploatacyjnych jest zabronione.” Treść art. 39 to kolejny zakaz mówiący, że „Wypalanie słomy i pozostałości roślinnych na polach w odległości mniejszej niż 100 m od zabudowań, lasów, zboża na pniu i miejsc ustawienia stert lub stogów bądź w sposób powodujący zakłócenia w ruchu drogowym, a także bez zapewnienia stałego nadzoru miejsca wypalania, nie jest dopuszczalne.” Z kolei art. 36, ust. 1 i 2 mówi, że „W lasach i na terenach śródleśnych, na obszarze łąk, torfowisk i wrzosowisk, jak również w odległości do 100 m od granicy lasów jest zabronione wykonywanie czynności mogących wywołać niebezpieczeństwo pożaru: • rozniecanie ognia poza miejscami wyznaczonymi do tego celu przez właściciela lub zarządcę lasu (nie dotyczy to czynności związanych z gospodarką leśną oraz wykonywaniem robót budowlanych), • palenie tytoniu, z wyjątkiem miejsc na drogach utwardzonych i miejsc wyznaczonych do pobytu ludzi.” Treść powyższego art. została niejako powtórzona w ustawie o lasach w art. 30, ust. 3, który brzmi: „W lasach oraz na terenach śródleśnych, jak również w odległości do 100 m od granicy lasu, zabrania się działań i czynności mogących wywołać niebezpieczeństwo, a w szczególności: 708
• rozniecania ognia poza miejscami wyznaczonymi do tego celu przez właściciela lasu lub nadleśniczego, • korzystania z otwartego płomienia, • wypalania wierzchniej warstwy gleby i pozostałości roślinnych.” Powyższy zapis nie dotyczy działań i czynności związanych z gospodarką leśną, pod warunkiem, że czynności te nie stanowią zagrożenia pożarowego. Aby te czynności technologiczne nie stanowiły zagrożenia pożarowego muszą być (zgodnie z instrukcją ochrony przeciwpożarowej) przestrzegane następujące warunki: • zgoda właściciela lub zarządcy lasu na posługiwanie się otwartym ogniem wraz z określeniem miejsca, czasu i warunków posługiwania się tym ogniem, • prowadzący prace związane z używaniem ognia obowiązany jest powiadomić właściwe miejscowo powiatowe lub miejskie stanowisko kierowania Państwowej Straży Pożarnej, nadleśnictwo lub park narodowy, które z kolei informują o takim przypadku własne służby obserwacyjno-alarmowe, • odpady pozrębowe powinny być spalane w godzinach rannych (ze względu na wyższą niż w godzinach południowych i popołudniowych wilgotność powietrza i wilgotność pokrywy dna lasu), przy zachmurzonym niebie, pogodzie bezwietrznej i w miejscu gwarantującym możliwie największe bezpieczeństwo, • przed przystąpieniem do powstania sztucznie wywołanego ognia należy w pobliżu takiego miejsca zgromadzić odpowiedni sprzęt gaśniczy pomocny w lokalizacji i likwidacji rozwoju i rozprzestrzeniania się spalania w sposób nie kontrolowany, a także środek łączności (telefon lub radiotelefon) lub środek lokomocji. • spalanie gałęzi i palenie ognisk nie może być wykonywane bliżej niż 6 m od stojących drzew, a wysokość płomienia nie powinna być większa niż 2 m. Przed przystąpieniem do posługiwania się otwartym ogniem (spalanie gałęzi, palenie ognisk, wykonywanie prac budowlano-montażowych z użyciem otwartego ognia) należy dookoła takiego miejsca zmineralizować glebę na szerokości ok. 2 m (w zależności od rodzaju i wysokości runa). Podczas zalegania pokrywy śnieżnej mineralizacja gleby nie jest konieczna. • w czasie i miejscu czynności związanych z posługiwaniem się otwartym ogniem lub paleniem gałęzi należy zapewnić stały dozór przez osoby wcześniej przeszkolone w zakresie tłumienia pożarów pokrywy gleby. • w sytuacji wymknięcia się spalania spod kontroli i zaistnienia groźby powstania pożaru należy natychmiast zaniechać czynności związanych z
709
posługiwaniem się otwartym ogniem i niezwłocznie przystąpić do działań gaśniczych dostępnymi na miejscu siłami i środkami gaśniczymi. • po wypaleniu się ognisk, miejsca po spalaniu należy dokładnie zasypać ziemią, piaskiem lub zwilżyć środkami gaśniczymi, upewniając się czy zjawisko tlenia i żarzenia już nie występuje. W sytuacjach wątpliwych pozostawić osoby dozorujące wraz z odpowiednim sprzętem i środkami gaśniczymi. Każda czynność gospodarcza związana z posługiwaniem się otwartym ogniem w lasach dopuszczalna jest tylko pod dozorem imiennie wyznaczonej osoby przez właściciela, zarządcę lub użytkownika lasu. Zabrania się także palenia ognisk, spalania gałęzi, odpadów i innych materiałów bezpośrednio na glebach torfowych, w młodnikach oraz drzewostanach, których dolna powierzchnia koron drzew znajduje się na wysokości poniżej 10 m od powierzchni ziemi, a także na obszarach leśnych porośniętych wysokim trawami, trzcinnikiem i wrzosem. W lasach będących w użytkowaniu wieczystym lub wchodzących w skład Zasobu Własności Rolnej Skarbu Państwa, zadania i kompetencje związane z działaniami i czynnościami przeciwdziałającymi niebezpieczeństwu rozniecania ognia poza miejscami wyznaczonymi do tego wykonują odpowiednio użytkownik wieczysty albo Agencja Własności Rolnej Skarbu Państwa. Zasady związane z posługiwaniem się otwartym ogniem w lesie są ustalone w instrukcji ochrony przeciwpożarowej obszarów leśnych. Zgodnie z treścią w tym względzie zawartą w tej instrukcji, osoby fizyczne i prawne mogą palić ogniska lub posługiwać się w swojej działalności nie związanej z gospodarką leśną otwartym płomieniem w lesie lub w odległości mniejszej niż 100 m od granicy lasu, tylko w wyznaczonych do tego celu miejscach przez właściciela lub zarządcę lasu. Stałe miejsca do posługiwania się otwartym ogniem w lesie w celach turystycznych i wypoczynkowych są wyznaczane przez właściciela lub zarządcę lasu i przez niego technicznie zagospodarowane. Chcąc czasowo posługiwać się otwartym ogniem w lesie, trzeba wcześniej uzyskać zezwolenie od nadleśniczego lub dyrektora parku narodowego, który wydając takie zezwolenie musi pisemnie określić czas i miejsce posługiwania otwartym ogniem w lesie, a także warunki bezpiecznego posługiwania się ogniem w lesie i sprawowanie nadzoru nad przestrzeganiem tych warunków. W okresie szczególnego zagrożenia pożarowego, w tym podczas oznaczenia 3. stopnia zagrożenia pożarowego lasu nadleśniczy i dyrektor parku narodowego zmuszeni są do zaprzestania wydawania zezwoleń na posługiwanie się otwartym ogniem w lesie, a wyznaczone wcześniej miejsca na posługiwanie się otwartym ogniem w lesie na podstawie wcześniej wydanych zezwoleń powinny być anulowane do czasu obniżenia się zagrożenia pożarowego lasów. Niezależnie od powyższych zakazów związanych z możliwością 710
pojawienia się w lesie zarzewia ognia w wyniku działania człowieka istnieją jeszcze dodatkowe zakazy związane z pobytem ludzi w lesie. Zgodnie z treścią ustawy o lasach (art. 26) występują na terenie leśnym stałe zakazy wstępu. Takim stałym zakazem wstępu objęte są lasy stanowiące: • • • • •
uprawy leśne do 4 m wysokości; powierzchnie doświadczalne i drzewostany nasienne; ostoje zwierząt; źródliska rzek i potoków; obszary zagrożone erozją.
Nadleśniczy jako kierownik jednostki organizacyjnej (nadleśnictwa) użytkownika wieczystego albo Agencji Własności Rolnej Skarbu Państwa powołanej do prowadzenia gospodarki leśnej wprowadza okresowy zakaz wstępu do lasu stanowiącego własność Skarbu Państwa, w razie gdy: • wystąpiło zniszczenie albo znaczne uszkodzenie drzewostanów lub degradacja runa leśnego; • występuje duże zagrożenie pożarowe, • wykonywane są zabiegi gospodarcze związane z hodowlą, ochroną lasu lub pozyskaniem drewna. Zakaz wstępu do lasu wprowadza się przy 3. stopniu zagrożenia pożarowego, jeżeli przez kolejnych 5 dni wilgotność ściółki mierzona o godzinie 9.00 będzie niższa od 10%. Zgodnie z instrukcją ochrony przeciwpożarowej obszarów leśnych nadleśniczy jest uprawniony do nie wprowadzania zakazu wstępu do kompleksów leśnych o mniejszym zagrożeniu przez pożary np. do drzewostanów liściastych i mieszanych, przy jednoczesnym zwiększeniu ochrony przeciwpożarowej w tych kompleksach – mimo wystąpienia przez kolejnych 5 dni wilgotności ściółki mierzonej o godzinie 9.00 niższej od 10% przy 3. stopniu zagrożenia pożarowego lasu. O zamiarze wprowadzenia lub odwołania zakazu wstępu do lasu, nadleśnictwo lub dyrekcja parku narodowego powiadamia właściwą miejscowo regionalną dyrekcję Lasów Państwowych, a także organy administracji samorządowej i rządowej, w tym podmioty administracji zespolonej. Jeżeli zakaz wstępu do lasu zostaje wprowadzony na terenie więcej niż jednego nadleśnictwa, wówczas koordynacją działań w tym zakresie zajmuje się właściwa miejscowo regionalna dyrekcja Lasów Państwowych, która z kolei powiadamia Dyrekcję Generalną Lasów Państwowych, a także środki masowego przekazu oraz właściwe miejscowo komendy Państwowej Straży Pożarnej. Lasy objęte stałym lub okresowym zakazem wstępu, z wyjątkiem upraw leśnych do 4 m wysokości, oznacza się tablicami z napisem „zakaz wstępu” oraz wskazaniem przyczyny i terminu obowiązywania zakazu. Obowiązek ustawiania
711
i utrzymywania znaków ciąży na nadleśniczym w stosunku do lasów będących w zarządzie Lasów Państwowych oraz na właścicielach pozostałych lasów. Wzór znaku zakazu wstępu do lasu oraz zasady jego umieszczania reguluje rozporządzenie ministra ochrony środowiska, zasobów naturalnych i leśnictwa z dnia 6 stycznia 1998 r. w sprawie określenia wzoru znaku zakazu wstępu do lasu oraz zasad jego umieszczania (Dz. U. Nr 11, poz. 39). Znak składa się z dwu tablic górnej i dolnej: • tablica górna ma kształt prostokąta o wysokości 40 cm i szerokości 35 cm i jest wykonana z blachy ocynkowanej o grubości 0,8—1 mm lub innego trwałego materiału; tło tablicy jest koloru żółtego; w górnej części tablicy umieszczona jest sylwetka człowieka idącego, o wysokości 25 cm, koloru czarnego — przekreślona skośnie na krzyż liniami koloru czerwonego o długości 25 cm i szerokości 0,5 cm; przed sylwetką człowieka umieszczone jest stylizowane drzewko świerkowe o wysokości 25 cm, w kolorze zielonym; w dolnej części tablicy umieszczony jest napis „ZAKAZ WSTĘPU” o wysokości liter 4 cm w kolorze czarnym, • tablica dolna ma kształt prostokąta o wysokości 20—25 cm i szerokości 35 cm i wykonana jest z takiego samego materiału jak tablica górna; tło tablicy jest koloru żółtego; na tablicy umieszczony jest napis, o wysokości liter 2 cm, w kolorze czarnym, informujący o przyczynie zakazu wstępu oraz terminie jego obowiązywania — w przypadku okresowego zakazu wstępu; w prawym dolnym rogu tablicy umieszczona jest informacja o zarządcy (właścicielu) lasu i jego adresie. Znak umieszcza się na słupku metalowym lub drewnianym na wysokości 1,8 m, mierzonej od dolnej krawędzi tablicy dolnej do powierzchni gruntu. Znaki umieszcza się na granicy lasu objętego zakazem wstępu, a w szczególności: przy drogach publicznych oraz drogach leśnych, na których dopuszczony jest ruch pojazdów silnikowych, zaprzęgowych i motorowerów (na zakrętach, skrzyżowaniach i dłuższych odcinkach dróg), a także wokół miejsc postoju pojazdów oraz pól namiotowych. Znaki dotychczas umieszczone nie wymagają wymiany do czasu ich zużycia. Poniżej przedstawiono wzór znaku zakazu wstępu do lasu stanowiącego załącznik do rozporządzenia ministra ochrony środowiska, zasobów naturalnych i leśnictwa z dnia 6 stycznia 1998 r. (Dz. U. Nr 11, poz. 39).
712
Rys. 1. Uproszczony schemat wzoru znaku zakazu wstępu do lasu Właściciel lasu nie stanowiącego własności Skarbu Państwa może zakazać wstępu do lasu, oznaczając ten las tablicą z odpowiednim napisem. Lasy stanowiące własność Skarbu Państwa są udostępniane dla ludności, z uwzględnieniem zakazów zawartych w art. 26 i art. 30 ustawy o lasach, do zbioru płodów runa leśnego: • na potrzeby własne, • dla celów przemysłowych, z tym, że zbiór płodów runa leśnego dla celów przemysłowych wymaga zawarcia umowy z nadleśnictwem, a nadleśniczy ma prawo odmówić zawarcia umowy, w przypadku gdy zbiór runa leśnego zagraża środowisku leśnemu. Ruch pojazdem silnikowym, zaprzęgowym i motorowerem w lesie dozwolony jest jedynie drogami publicznymi, natomiast drogami leśnymi jest dozwolony tylko wtedy, gdy są one oznakowane drogowskazami dopuszczającymi ruch po tych drogach. Postój pojazdów, o których mowa wyżej na drogach leśnych jest dozwolony wyłącznie w miejscach oznakowanych. Nie dotyczy to inwalidów poruszających się pojazdami przystosowanymi do ich
713
potrzeb, a także: • pracowników nadleśnictw, • osób nadzorujących gospodarkę leśną oraz kontrolujących jednostki organizacyjne Lasów Państwowych, • osób zwalczających pożary oraz ratujących życie lub zdrowie ludzkie, • funkcjonariuszy Straży Granicznej chroniących granicę państwową oraz funkcjonariuszy innych organów odpowiedzialnych za bezpieczeństwo i porządek publiczny, • osób wykonujących czynności z zakresu gospodarki łowieckiej oraz właścicieli pasiek zlokalizowanych na obszarach leśnych, • właścicieli lasów we własnych lasach, • osób użytkujących grunty rolne położone wśród lasów, • pracowników leśnych jednostek naukowych, badawczo-rozwojowych i doświadczalnych, w związku z wykonywaniem badań naukowych i doświadczeń z zakresu leśnictwa i ochrony przyrody, • wojewódzkich konserwatorów przyrody oraz pracowników Służb Parków Krajobrazowych, • osób sporządzających plany urządzenia lasu, uproszczone plany urządzenia lasu lub inwentaryzację stanu lasu. Dla wymienionych wyżej osób nie istnieje również zakaz wstępu do lasu objętego stałym lub okresowym zakazem wstępu do lasu, zarówno w stosunku do lasu stanowiącego własność Skarbu Państwa, jak i nie stanowiącego własności Skarbu Państwa. Wszystkie prawne zakazy i ograniczenia posługiwania się otwartym ogniem w lesie nie dają pełnej gwarancji ich przestrzegania. Punktem wyjścia do wywołania odpowiednich zachowań ludzi w lesie i w jego sąsiedztwie powinno być odpowiednie oznakowanie terenów leśnych tablicami. Właściciel lub zarządca lasu jest wręcz obowiązany do umieszczenia przy wjazdach do lasów oraz przy parkingach leśnych, w uzgodnieniu z właściwym miejscowo komendantem powiatowym (miejskim) Państwowej Straży Pożarnej, tablic informacyjnych i ostrzegawczych dotyczących zabezpieczenia przeciwpożarowego lasu. W ramach propagandy wizualnej, na różnych tablicach powinny znajdować się estetycznie wykonane różne oryginalne rysunki lub fotografie z małą ilością tekstu, kolorów i liczb. Do propagandy wizualnej zaliczamy również różnego rodzaju ulotki, plakaty, programy telewizyjne i strony internetowe szerzące hasła ochrony przeciwpożarowej lasów. Innym rodzajem propagandy jest informacja słowna (np. prelekcje w placówkach oświaty, zakładach pracy albo komunikaty w radio, telewizji lub radiowęzłach), a jeszcze innym artykuły w prasie i współpraca z organizacjami młodzieżowymi i ekologicznymi. Nasilenie działalności propagandowej powinno wzrastać wraz ze wzrostem stopnia zagrożenia pożarowego lasu i w 714
okresach wzmożonej penetracji lasu przez ludzi spowodowanej wypoczynkiem, turystyką czy zbieractwem owoców runa leśnego. Podstawowymi działaniami gospodarczymi ograniczającymi rozwój i rozprzestrzenianie się pożarów w lasach są działania, zgodnie z którymi, w odległości mniejszej niż 30 m od skraju toru kolejowego lub drogi publicznej pozostawianie gałęzi, chrustu, nieokrzesanych ściętych drzew i odpadów poeksploatacyjnych jest zabronione. Można założyć, że jest to podstawowy, nieokreślony literowo typ pasa służący zabezpieczeniu przed pożarem lasów zagrożonych pożarowo w wyniku działań eksploatacyjno-komunikacyjnych związanych z ww. torami i drogami. W stosunku do lasów zaliczonych do I i II kategorii zagrożenia pożarowego lasów, drzewostanów młodszych niż 30 lat położonych przy drogach publicznych i parkingach, drzewostanów położonych przy drogach poligonowych i międzypoligonowych oraz lasów o szerokości większej niż 200 m – istnieje wręcz obowiązek urządzania i utrzymywania pasów przeciwpożarowych określonego typu. Poniżej przedstawiono na rysunkach przykładowe uproszczone schematy wybranych typów pasów przeciwpożarowych.
715
obiekt magazynowy
30 m
30 m
DROGA PUBLICZNA
PAS PRZECIWPOŻAROWY TYPU A „porządkowanie pasa gruntu (30 m)”
30 m
30 m
droga dojazdowa niebędąca drogą publiczną
30 m
Rys. 2. Uproszczony schemat pasa przeciwpożarowego typu A – porządkowanie pasa gruntu o szerokości 30 m
716
30 m 30 m
zakład przemysłowy
droga poligonowa
PAS PRZECIWPOŻAROWY TYPU B „porządkowanie pasa gruntu (30 m) + bruzda izolacyjna (2 m)”
30 m
30 m
droga dojazdowa niebędąca drogą publiczną
30 m
Rys. 3. Uproszczony schemat pasa przeciwpożarowego typu B – porządkowanie pasa gruntu o szerokości 30 m + bruzda izolacyjna o szerokości 2 m
717
PAS PRZECIWPOŻAROWY TYPU C „porządkowanie pasa gruntu (30-100 m) + bruzda izolacyjna (5-30 m)”
droga poligonowa
TEREN POLIGONU WOJSKOWEGO
30 m
30-100 m
5-30 m
droga poligonowa
30 m
Rys. 4. Uproszczony schemat pasa przeciwpożarowego typu C – porządkowanie pasa gruntu o szerokości 30-100 m + bruzda izolacyjna o szerokości 5-30 m 718
PAS PRZECIWPOŻAROWY TYPU D „porządkowanie pasa gruntu (30-100 m) + bruzda izolacyjna (3-30 m)”
30-100 m
3-30 m wytypowana droga umożliwiająca prowadzenie działań ratowniczych
Rys. 5. Uproszczony schemat pasa przeciwpożarowego typu D – porządkowanie pasa gruntu o szerokości 30-100 m + bruzda izolacyjna o szerokości 3-30 m
719
PAS PRZECIWPOŻAROWY WZDŁUŻ LINII KOLEJOWEJ „porządkowanie pasa terenu + dwie bruzdy izolacyjne”
2-5 m
10-15 m
25-50 m
Rys. 6. Uproszczony schemat pasa przeciwpożarowego wzdłuż linii kolejowych – porządkowanie pasa terenu + dwie bruzdy izolacyjna o szerokości co najmniej 2m Zgodnie z ustawą z dnia 28 marca 2007 r. o transporcie kolejowym (Dz. U. Nr 16, poz. 94 – rozdział 9, art. 55) - zarządca linii kolejowej ma prawo na sąsiadujących z linią kolejową gruntach, za odszkodowaniem urządzać i utrzymywać pasy przeciwpożarowe. Ustalenie odszkodowania za urządzanie i utrzymywanie pasów przeciwpożarowych następuje w drodze umowy stron. Jeżeli posadzenie drzew lub krzewów, powodujące potrzebę urządzenia pasów przeciwpożarowych, nastąpiło po wybudowaniu linii kolejowej, koszty związane z urządzeniem i utrzymaniem tych pasów obciążają właścicieli gruntów. W celu zmniejszenia zagrożenia pożarowego w drzewostanach stosuje się jeszcze inne typy pasów przeciwpożarowych (np. E – górskie lub F - specjalne) oraz wielorzędowe pasy gatunków liściastych zwane biologicznymi pasami przeciwpożarowymi lub izolacyjnymi. Biologiczne pasy izolacyjne (ppoż.) oparte na gatunkach liściastych stosuje się najczęściej dla powierzchni sosnowych powyżej 6 ha, powstałych w wyniku ewentualnych odnowień poklęskowych. Takie biologiczne pasy można również stosować przy zakładaniu upraw w bezpośrednim sąsiedztwie linii kolejowych, dróg publicznych, wzdłuż linii oddziałowych i gospodarczych, wewnątrz oddziału
720
leśnego w formie rzędowej (po wycięciu w późniejszym czasie kilkurzędowych drzew liściastych, oczyszczony w ten sposób pas będzie stanowił szlak wewnętrznej komunikacji w oddziale leśnym zwany szlakiem technologicznym lub nazywany dawniej zrywkowym) lub trójkątów (trójkątów równoramiennych). Poniżej na rysunku przedstawiono uproszczony schemat biologicznych pasów przeciwpożarowych w formie rzędowej w oddziale leśnym.
Rys. 7. Uproszczony schemat biologicznych pasów przeciwpożarowych w formie rzędowej w oddziale leśnym Przy formie trójkątów należy pamiętać, aby podstawy trójkątów były wyznaczone przez kierunek panujących wiatrów. Poniżej na rysunku przedstawiono uproszczony schemat trójkątnej formy zmieszania gatunków iglastych i liściastych w oddziale leśnym.
721
Rys. 8. Uproszczony schemat trójkątnej formy zmieszania gatunków iglastych i liściastych w oddziale leśnym W przypadku zakładania biologicznych pasów izolacyjnych w bezpośrednim sąsiedztwie linii kolejowych, dróg publicznych lub innych miejsc stałych zagrożeń pożarowych, szerokość takich pasów równoległych do tych linii czy dróg nie powinna być mniejsza niż 50 m, a zwarcie koron drzew na pasie powinno być pełne. Wzdłuż takich miejsc stałych zagrożeń pożarowych, w tym na granicy pole uprawne-las, teren zurbanizowany-las czy szlak komunikacyjny–las, można również stworzyć pas składający się z krzewów, niskich drzew i wysokich drzew o luźnym zwarciu koron, zwany strefą ekotonową, który ma za zadanie ograniczać rozwój i rozprzestrzenianie się pożaru oraz utrudniać wstęp do lasu. Biologiczne pasy izolacyjne (ppoż.) w postaci zakrzewień i zadrzewień gatunkami liściastymi o wysokości do 2 m można również stosować na powierzchniach pod liniami energetycznymi wysokiego napięcia. Powierzchnie pod takimi liniami energetycznymi mogą być zagospodarowane także jako poletka łowieckie, plantacje lub uprawy rolne eliminujące porastanie tych obszarów trawami lub wrzosami. Nie bez znaczenia dla ograniczania szybkości rozprzestrzeniania się pożarów w lesie pozostaje również stosowanie szeregu cięć, zakładania pasów zrębów i odnawiania lasu pod wiatr, tzn. ze wschodu na zachód umożliwiając tym samym zachowanie ładu przestrzennego w drzewostanie. Zręby to powierzchnie leśne pozbawione drzewostanu w ciągu ostatnich 2 lat, a w razie klęsk żywiołowych w ciągu ostatnich 5 lat. Co prawda ustawa o lasach nakazuje odnowić zrąb nie później 722
niż po 2 latach, ale w przeszłości na obszarach zrębowych przez kilka lat były uprawiane zboża ze względu na silne zagrożenia upraw leśnych przez chrabąszcze. Literatura
[1] Bardan J.: Ochrona lasu przed pożarami i zagospodarowanie terenów popożarowych, Poradnik ochrony lasu wyd. pod red. Łęskiego O., „Wydawnictwo Świat” Warszawa 2001. [2] Instrukcja ochrony przeciwpożarowej obszarów leśnych, MOŚZNiL, DGLP Warszawa 1996. [3] Rozporządzenie ministra ochrony środowiska, zasobów naturalnych i leśnictwa z dnia 6 stycznia 1998 r. w sprawie określenia wzoru znaku zakazu wstępu do lasu oraz zasad jego umieszczania (Dz. U. Nr 11, poz. 39). [4] Rozporządzenie ministra spraw wewnętrznych i administracji z dnia 21 kwietnia 2006 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz. U. Nr 80, poz. 563). [5] Ustawa z dnia 6 czerwca 1997 r. Kodeks karny (Dz. U. Nr 88, poz. 553 z późn. zm.). [6] Ustawa z dnia 16 kwietnia 2004 r. o ochronie przyrody (Dz. U. Nr 92, poz. 880 z późn. zm.). [7] Ustawa z dnia 20 maja 1971 r. Kodeks wykroczeń (Dz. U. Nr 12, poz. 114 z późn. zm.). [8] Ustawa z dnia 24 sierpnia 1991 r. o ochronie przeciwpożarowej (Dz. U. Nr 81, poz. 351 z późn. zm.). [9] Ustawa z dnia 28 września 1991 r. o lasach (Dz. U. Nr 101, poz. 444 z późn. zm.). [10] Ustawa z dnia 28 marca 2007 r. o transporcie kolejowym (Dz. U. Nr 16, poz. 94). [11] Wiler K.: Ochrona lasów przed pożarami, SA PSP Poznań 2000. [12] Zarzycki J.: Ochrona przeciwpożarowa lasów, Skuteczne ratownictwo. Fachowy poradnik dla służb ratowniczych, wyd. Verlag Dashofer Sp. z o. o. Warszawa 2005-2007.
723
Basic procedure in fire extinguishing and saving in aircrafts conflagration Martina ZDRAVKOVIC, Desimir JOVANOVIC Faculty of Occupational safety of Nish Carnojevica 10 a, Nish, Serbia e-mail:
[email protected] [email protected] Summary
This work displays basic procedure of extinguishing and saving in accidental cases on aircrafts. Firebrigade units at the airports have large number of calls for readiness and invention during aircrafts landings. Fortunately, lot of them end as safe landings, so interventions at all. Nevertheless, it is extremely important that firebrigade unit has regulated and exercised basic procedure that will be applied in the case of aircraft accident. Circumstance and events during aircraft accident are different from case to case. So, it is hard to regulate and justify procedure that would completely be applied to all kinds of accidents. This work contents procedures and principles whose realization results successfully in great number of cases. Key words:
aircraft accident, procedure, extinguishing, saving in accidental Introduction
Firebrigade units –FBU at the airports are specific service that protect airport object and aircrafts from fire. That represents particular risk for their personnel and demands additional efforts, maximum of psycho-physical readiness and concentration. Fire at the aircraft can occur in hangars, at the runways (during taking off and landing), and out of the airport (during aircraft crash). Basic dangers for fire appearance are in large amount of fuel, hydraulic oil, oxygen cylinders in the aircraft. According to civil organization for air traffic (ICAO) data, average 30 aircrafts happen every year, with approximately 300 dead people. Despite the fact that number of aircraft accidents decreases every year, because of the presence of larger number of passengers (350 to 500) in the aircraft, number of death people increases. Statistics show that most of the passengers in air traffic die from smoke and evaporations. For example, number of dead persons in accident of aircraft with fuselage 30 m long average is 60% of total number of
724
passengers, while at aircrafts with fuselage over 30 m this number is over 86%. Significant fact is that total damage and number of victims per aircraft accident constantly grow. During theoretical and practical training of firebrigade unit members at the airports, special attention must be paid to intervention procedure in the case of aircraft crash out of airport, when recognizing of aircraft construction and it’s components is almost impossible because of diffusion of the wreck at large space. In such circumstances, surviving of passengers and the crew is not very likely, although this matter is not for assuming. Fortunately, aircraft accident are few and rarely out of airports. That’s the acquire, and when there in necessary, knowledge’s acquired in constant learning and trainings are valuable. 1. Basic procedures in fire extinguish
Information about extraordinary situation takes Firebrigade unit’s telephones on duty, who activates alarm system. Reaction on the alarm must be fast, but calm, with complete individual personal discipline in realization of determined procedures, that differ from airport to airport. Variety of procedures, that are established in every concrete case according to risk estimation and must be respected strictly, is absolutely understandable. When alarm starts, starts the procedure of collecting and forwarding information’s, that is essential for success in action of extinguishing and saving. However, it is sometimes difficult task because head of action can be engaged in radio communication with different services staff, for example flight control, aircraft crew, other firebrigade units etc. Engaging necessary technical means procedure and personnel in based on collected data form the terrain. Approaching the place of accident, head of extinguishing and saving action, in short time period evaluates situation and makes decision about vehicle position, number and length of lines, team that enters the aircraft etc. In procedure of positioning the necessary technical means, participants must: - approach to the place of accident extremely carefully to avoid walking upon passengers, wreck, spitted fuel and other dangers - perceive terrain stability, terrain inclination and wind direction before to avoid negative effect of thermal radiation, smoke and fuel evaporation - put vehicles in the position above the wreck elevation to avoid eventual eaking of fuel and evaporations that are collecting at lower elevations and to enable that monitors and extinguishing lines cover fire and eventual expansion as well as use the monitor in any moment for protection of personnel and avoid fire fire expansion 725
- enable evacuation and saving operation in the aircraft by putting vehicles in the position - put vehicles in the way that they can change positions in case of fire expansion, and necessary of backward maneuver put to minimum - put the technique at places in fire can be seen - put the technique in the position where it w - will be out of danger because fuel leaking or aircraft moving - block area of risk to avoid unauthorized access and movements of other services in zone of firebrigade unit (minimally 90 m around the aircraft), put the no smoking sings and use only safe electrical equipment. In the case of blockade, system “one entrance, one exit” must be established strictly. In case of minor incidents inside airport complex, blockade is not necessary. In deterring final position of the technique and intervention staff in fire extinguish, folloluing must be considered: -
number, type and possibilities of the vehicles number and abilities of intervention staff location and state of aircraft or its wreck number and location of survivors basic dangers connected to state of aircraft.
Vehicles equipped with monitors for extinguishing should be positioned to enable their maximal effect, with minimum loss of limited amount of extinguishing means. Monitors should be used only when it is efficient. Vehicles with the best performances as speed, aviable amounts of extinguishing means, pump captivities etc., are engaged immediately at fire extinguishing, while for passengers security at least one vehicle is put at the evacuation side of aircraft. In attaining the most efficient fire extinguishing and saving, whenever possible, it is necessary to: - place the aircraft in the way that wind can take fire off the fuselage and firebrigade unit can take the best position for localizing and extinguishing fire, and - place vehicles in front or back of the aircraft for easier protection and preserving the fuselage from fire and enabling safe evacuation of passengers. Extinguishing procedure starts with covering the fuselage with foam and by making safety zone around its lateral sides. Fire at the aircraft can be extinguished with other, foam compatible means. For prevention at the same time leaking fuel is covered with foam. At the beginning of extinguishing, basic task of the intervention team is to protect fuselage and ways for safe evacuation of survivors as well as
726
extinguishing fire in surrounding area to prevent its transfer to the aircraft. Special attention must be paid to fire extinguishing of spilled fuel which has thermal radiance of high intensity and develop high temperature because of high thermal power of fuel which is twice bigger of thermal powers of other flammable materials as wood or textile for example. Choice of tactics and techniques of fire extinguishing of spilled fuel implies access of firebrigade unit to the place way that wind blows at the back. In that way, better visibility is provided and toxic effect of smoke and evaporation is avoided. In this case, use of isolation machines is necessary. Positioning of firemen at rising ground prevents contact of spilled fuel with vehicles, even in worse situation. If the fire occurred during pouring fuel into the aircraft, firebrigade unit has the obligation to cool the fuel tank with water to prevent rising the pressure and eventual explosion. If the fuel tank is not cooled, temperature can lead to the change of molecular composition and abruption of tank’s jacket which can lead to releasing of large amounts of fuel. Cooling is performed with jet of dispensed water, because use of full jet can cause temperature shock (metal or aluminum alloy shrinks faster than surrounding area), which can lead to cracking of tank and explosion as well. Basic dangers for firebrigade unit during intervention are: -
large amount of spelled fuel inhaling of evaporations and smoke releasing of liquids under pressure personal contamination, equipment and surrounding contamination. Preventive protection from fire during interventional is attained by:
- covering of spilled fuel with foam and keeping layer of foam - cooling of all not components to reduce possibility of fuel burning - Stopping fuel leaking from damaged tank or tube. Process of eventual tank emptying should be planned carefully with using of necessary safety measures, and - Switching off the battery of the aircraft to prevent arcing of electroinstalations and equipment. 2. Basic saving procedure
Saving procedure is performed as soon as safe conditions are provide, as soon fire is extinguished or under control, and starts with entering of rescuers into the aircraft for search, victims evacuation, aircraft ventilation or fire extinguishing.
727
During entering into the aircraft, special attention must be paid to: - aircraft stability or its part - in the case of started evacuation, entering of firebrigade unit into aircraft should not be prevented for preserving integrity of cabin, only in case when their access can be performed without disturbing evacuated persons. - If there is necessary use of ladder, it should be used according to safety measures - Exits that are not used for evacuation, can be used for entering into the aircraft. Their opening is performed by careful following of the instructions. Special attention should be paid in case when there are possibilities of automatic activating of slides, especially if they are malfunctioned - If isolation machines are used, they should be controlled properly - During using cutting and pulling down equipment, safely working conditions should be considered, and - If there is knowledge or suspicion of internal fire, entering into the aircraft should be, if possible, by the wind. If the crew didn’t start the evacuation, t is necessary to put ladders on the opposite side of the opening of the aircraft doors, so firebrigade unit can enter the aircraft. They also should pass the tube to the rescue team to enable easier movement. Firebrigade units task during the intervention in the aircraft is to start: - fire extinguish (internal fires are very rare, but if they happen, they are serious threat and demand large amount of water, sometimes 55000l) - saving, and - Ventilation. Sequence of priorities is determined according to circumstances at the scene of accident. During entering the aircraft, first team of 2 rescuers with isolation equipment, must take line with jet of sufficient size, to the end of aircraft. During moving through aircraft, floor stability should be examined with intensive and strong kicks, to prevent falling through because extinguishing of eventual internal fire, is to ventilate the aircraft and remove the smoke by using dispersed water jet. Aircraft can be ventilated by self ventilation (removing the smoke and cooling through the top of the aircraft), and by natural way (open all the door for evacuation and make draught). Using jets for removing smoke should be considered, because water can make the same damage as fire or smoke. Head of the action orders ventilation, because to soon ventilation with or without precaution measures can lead to expanding of fire. Method for extinguishing internal fire will depend on fire location and fire development. Using of thermo vision camera can speed up process of determing centre of fire and diminish the time of search. In the case of developed phase of 728
fire, to decrease its volume, it is the best to use water as dispersed jet. Extinguishing smolder fires of seats represents long process that demands large amount of water. Firebrigade unit members in this part of action, could be exposed to great risk from sudden fire development ( appearance of flash-over) or explosion of vessels under pressure. They must have safe evacuation ways if there is a need for urgent evacuation. To help the team inside aircraft, members of the firebrigade unit engaged on extinguishing external fire must organized and provide: -
two ways communication sufficient length of pipes firemen/rescuers help Monitoring of external situation.
Second team of 2 rescuers with isolation equipment, enters into the aircraft to search cabin and help evacuation of invalid and injured persons. Rescuing of captured, injured passengers should be supported with reclaiming of injures and providing surviving conditions. This is long-term process and is realized according to priorities established by members of firebrigade unit and medical team. Search at the aircraft continues as long as all persons from aircraft are saved. When the intervention is finished, head of the action commands “preparation for the return” that includes pipes collecting and their putting into the vehicles as well as collecting equipment used during intervention, In this phase, head of the action collects all elements necessary for intervention report. In return, vehicles go shortnest way, without using alarm, sound or light signals. After returning to the fire station, vehicles and equipment should be washed, extinguishing means filled, used pipes changed, tools and equipment accuracy checked, first of all means for protection. Vehicles are filled with fuel, and absolutely clean and ready for new intervention, parked into garage, turned to the exit. Firemen also change wet clothes and reclaim injuries. After each intervention it is necessary to make a report and analyze intervention with the complete unit. As it is said, serious internal fire represent the most dangerous challenge members of firebrigade unit in particle. Some of the most significant dangers during extinguishing internal fire are: -
fast development of fire structural colaps falling of cabin floor falling through open door system under pressure twisted metal and sharp edges toxic smoke, dust and other contaminated materials 729
- psychological stress To minimize risk of injuries, members of firebrigade unit should keep high level of physical readiness, and during the intervention they must permanently be aware of effects of surrounding area to their work and safety. 3. Conclusion
Fires inside aircraft can expose firemen to several physical and psychological working conditions. Entering into the aircraft should be performed as soon as possible, but not before localization of the fire and putting it under control. When deciding of entering, and way of performing the action, it is necessary to estimate the risk. To minimize risk of injuries of firebrigade members with obligatory use of regulated measures for safe work, staff must be well trained in all elements necessary for that procedure: using isolation equipment, work in smoke, aircraft research, etc. Staff safety as mutual responsibility is always at the first place. After that, there are: saving life’s, protection of priority and environmental and preserving the evident. Intervention in case of accidents on aircrafts can be divided into parts that can help in recognizing right course of the action: -
reception of the information about the accident and alarm intervention departure putting under control situation around the aircraft enabling entering the aircraft to save passengers keeping place of accident safe and secured maintaining evidences cleaning working on revised mobility.
Basic procedure of fire extinguishing and saving in case of internal fire of the aircraft is presented in this work, and it presents minimum of conditions that must be fulfilled for successful intervention and minimum of material damage and human lifes loss. Well, trained, organized and performed extinguishing and saving procedure enlarges changes for surviving at internal aircraft fires, because only coordinated and improved team work leads to success at such represents mutual responsibility and always is at the first place. Reference
[1] C. C. Rodrigues, A. T. Wells: Commercial Aviation Safety, Technology, 2003, 399 pages. [2] R. L. Sumwalt: Aircraft Accident Analysis - Final Reports, Technology, 2000, 400 pages.
730
[3] S.S. Krause: Aircraft Safety - Accident Investigations, Analyses, and Applications, Transportation, 2003, 483 pages. [4] T. K. Fowler: Aircraft Electrical System Safety: Congressional Hearing, Transportation, 2002, 91 pages.
731
Enclosure to the analyze of the selection of fire extinguish means against the lubricants and oils Stanimir ŽIVANOVIĆ Republic of Serbia, Ministry of Interior, Protection and rescue sector of Bor Desimir JOVANOVIĆ University of Nish, Faculty of occupational safety in Nish, Serbia e-mail:
[email protected] Summary
The efficiency of the fire extingusihing, very much, depends on the correct equipment and means selection and fires extinguish tactics. Improper selection could cause fire expanding, reappearing of the fire after it has been put out, making damages in the working area and enviroment and other consequences. In this work, the selection of fire extinguish means against fats and oils in the devices for frying and in other kitchen equipment was analysed. The chosen burning material is sunflower oil and pig fat, and in the aim to put the fire out, traditional means for fire extinguishing were used. Key words:
fire, fat, oil, kitchen equipment 1. INTRODUCTION
According to the statistics, approximately 25% of the total registered fires, happens at the working place. A wide implementation of the devices for preparing food by using plant fats and oils in devices for flying and in other kitchen equipment, caused increased numbers of the fires in the kitchen area. Fats and oils, as by chemical structure are glycerids of the oils acids. The burning temperature of fats/oils is relatively high and it is between 180oC up to 260oC. The temperature of the self burning is between 280oC up to 360oC depending on the type and the structure. The temperature during the fire very reaches 500oC up to even 700oC. Oil is cooling relatively slow, so after the fire is put out, the danger for fire to appear again is increased. The cause for the fire appearing are mostly device damages or because of the absence of the surveillance. Appearance of the deep fryer fires and on the similar devices for frying food is, mostly, because of the oil/fat overheating up to the self burning temperature. The fire lasts until the temperature, which during the fire, under the influence of the used means for fire extinguishing is not decreased below the temperature of the self burning or until the fat/oil is not burnt completely.
732
According to the standard JUS ISO 3941, Classification of fires, from the year 1994, fires, according to the type of burning substance are divided into the four classes: Class A – fires that are including strong substances, very often organic nature Class B – fires that are including liquid or molten hard substances Class C – fires that are including gasses Class D – fires that are including metals. Previously given specification is in accordance with the European norm EN2 from the year 1992. The present means at the market are for fire extinguishing for several types of fires. With the fulfilled changes of the norm EN2:1992/A1:2004 a new class of fire, class F, was introduced which refers on the fire of plant or animal fat and oil in the frying devices. 2. THE AIM OF THE RESEARCHING
The behavior of the fat/oil in the conditions of the real fire was not enough researched so there is not enough knowledge of their real behaving. There are several reasons for researching in this area with the aim to: • make an analyze of the implementation of the existing fire extinguish means • establish the conditions and mechanism of the fat burning and oil burning • determine indexes of the inflammation • determine the procedure and the way of putting the fire out • to make a concept of the new means for fire extinguishing based on the wet means principle • form fundamental basic data on plant and animal fats and oils which refers to: - the temperature of ignition - temperature of the self ignition - temperature of boiling - ignition limits - density - dangers. Experimental researching has been conducted at the Faculty of the Protection at the working place in Nis and on the Mechanical Engineering faculty in Nis. Experimental ignition and water pouring on the burning surface has been performed on the territory of Negotin. Researching fire extinguishing proper measuires were performed with the following means: 733
-
water foam dust carbon – dioxide special covers and lids.
3. RESEARCHING CONDITIONS
Experiments were performed: - with the testing dishes of 200 mm diameter with 1 l of the eatable oil and 1 l of natural origin fat - with the testing dishes of 300 mm diameter with 5 l of eatable natural origin fat/oil. In which, during the burning process, diferent quantity of water was poured in compact and sprayed jets, as well as other fire extinguishing means. The research was performed on the 20 oC working temperature and on 23 oC of the air temperature. The time of free substance burning before the extinguishing started was 5 minutes and the temperature of the liquids during that time, was up to 520 oC. Basic characteristics of the used fat/oil in the experiment were given below in the following table. Oils or fats
Special weight (Kg/dm3)
Melting temp. (oC)
Ignition temp. (oC)
Selfignition temp. (oC)
Heating power (kJ/kg)
Viscosity (mm2/s)
Iodine contents (100/g)
Sunwlower oil
0,914
- 19
229
370-380
39575
37,1 (38o)
110-143
Pig fat
-
28-45
>300
350-450
40054
51,15(40o)
35-48
4. THE RESULTS OF THE RESEARCHING
While causing the explosion of the fat by pouring 50 cl of water into the dish with 1 l of the burning liquid, fire mushroom appears of 1 m basic diameter and of 5 m height. By pouring less water quantity (10 cl) the flame of 1,5 m height appears. During the experimental research, almost the same characteristics were observed (time of appearing, flame dimensions etc.) during the explosions that appears during the combustion of the pig fat and sunflower oil. Fire spreading caused by taking out the liquid from the experimental testing dish after the explosion, is within 1 m in diameter around the dish. While pouring the water as water fog (medium water drops of approximately 0,05 mm) the explosion did not happen, but the fire was put out 5 seconds after. While pouring sprayed jets with drops dimensions of 734
approximately 0,5 mm, with the consumption intensity of 20 l/minm2, the fire was put out 10 second after. While using the fire extinguisher with the dust, it can cause, because of the certain pressure throwing out burning liquid from the dish and to cause spreading. Putting out the flame with the dust jet is instantaneous, but regarding the not existing effect of the cooling substance which is burning, after a short time, the flame appears again (self ignition). Devices with the means which contain mono ammonium phosphate, kalium chloride, calium phosphate are not to be used for fire extinguishing of the deep fryers for the well known reason of poisonous. Beside that, after using the dust, it is necessary to clean the room completely. The direct damage could appear and on the other present food. Also a danger of metal corrosion after using the dust could appear. When using fire extinguishing device with carbon – dioxide, which happens with the suppressing effect, is not giving expected results because of the high heat effect of the fire and burning substance. If this devise is used in the closed area dangerous concentrations for the present stuff could appear. Special covers of the devices have certain implementation conditions as well as limited factors. Depending on the size and released heat energy, the flame from the devices for frying could be dangerous for persons who are approaching in the aim to put the fire out. There is a danger of overheating of the cover no matter of what kind of material it was made. Very often, cover can not be precisely placed and to cover the entire surface, which is a condition for successful fire extinguishing. In certain cases, deformation of the cover could appear because of heat accumulation and because of heating up to very high temperatures, which can cause oil/fat re burning. 5. THE ANALYZE OF THE RESULTS
By putting compact jets as well as spread water jets whose drops has larger dimensions in the flame zone and on burning surface, the process of oxidation is not stopped. Using the foam for fire extinguishing is not reliable because it does not contain the water. The process which appeared is causing eruptions and explosively pouring out burning liquid substance and fire spreading. During the experimental research it was determined that the water fog is the most reliable fire extinguishing mean in devices which are using fats/oils. Getting the water of the asked characteristics, demands the proper equipment, which is very often unavailable. Based on the experimental results, while testing the efficiency of putting 735
out the fire of the pig fat and oil in the frying devices and in other kitchen equipment, it is justified to presume that the fire efficiency is the same and for other fats/oils which are in the dishes and whose temperature of boiling is above 100 0C (plant, animal, synthetic fats, substance similar to wax, parafin, strong oils, greasing means etc). The other used means (dust, carbon dioxide) are reaching the instantaneos effect of fire extinguishing but because of the lack of the cooling effect of the burning liquid, re ignition happens. 6. THE CONCLUSION
Fire extinguishing of the fat and oils in the frying devices and other kitchen equipment, was analyzed in this work by implementing traditional means for that purpose. Through the conducted research, it was determined that except water fog, no other traditional means are not appropriate for fire extinguishing. In case of using other fire extinguishing means of the improper characteristics, uncontrolled fire spreading could appear and life jeopardizing of the present persons in the object. As an example, instinctively, many people are trying to put the fire out with the available means, which, in most of the cases, is water but this is causing the explosion. Using the inappropriate fire extinguishing means for fats and oils brought up many unsuccessful interventions and hurting present persons. By analyzing the mechanism of fat and oil burning process, as wel as effects in experiments, the conclusion which also needs to be the aims in finding the proper fire extinguishing means are: • the basic effect of the fire extinguishing mean is suppressing, and • the mean, in a short period has to take away the heat by cooling effect, to reduce the temperature below the self ignition temperature. 7. REFERENCES
[1] M. Dragan, S. Živanović: Means against fire extinguish, Quatropress Beograd,1996 [2] S. Živanović, Explosive spillage of flammable liquid materials from opened containers caused by water poured on inflamed area, 9th International conference on fire and explosion protection, Novi Sad, 2004, p. 317-321, [3] EN2:1992/A1:2004 [4] ISO 11602-1:2000 [5] UL 300 [6] BS 7937 [7] NFPA 96 736
Application of the field method for the prediction of fire development in enclosures Prof. Ivan A. BOLODIAN, phD. Alexander N. BORODKIN, phD. Aleksey V. KARPOV All Russian Research Institute for Fire Protection (VNIIPO) 143903 Russia, Moscow region, Balashikha, VNIIPO, 12; Fax: +7 495 529 80 36 E-mail:
[email protected] Keywords:
fire modelling, field method, road tunnel, atrium Abstract
The examples are presented of field method application for the prediction of fire development in road tunnels and building with atrium. Introduction
The methods of mathematical modelling can be classified as onе-zone, multy-zone and field (CFD) models. One-zone models are the most simple among the fire simulation methods. Their main idea is an assessment of parameters of gaseous media through thermodynamic parameters, which are averaged across the whole volume of enclosure. A temperature of surrounding walls and other similar parameters are considered as surface averaged. But if gaseous media in enclosure is significantly non-uniform, the informativity of one-zone method can be insufficient for solving many fire safety problems. Such situation usually happens at the early stage of fire and at local fires, when jet flows caused by fire have obvious boundaries or media stratification takes place. Thus the scope of one-zone model application, when predicted fire parameters can be interpreted as real, is limited by volume fires, in which local values are close to those averaged by volume because of intensive mixing. More detailed description of fire can be obtained by means of multi-zone models. Multi-zone models are based on the suggestion of formation of two layers in the room: the upper layer of combustion products (smoke zone) and lower layer of unvitiated air (free zone). Besides these zones the fire plume is also usually considered and the other zones also can be added. Thus, the state of gaseous media in multi-zone models is assessed by the average parameters in each zone. The boundaries between zones are usually considered as moveable. 737
But zone model requires large amount of simplifications based on prior suggestions about flow structure. Such method is not acceptable in the cases, when information about this structure is absent, and hence there is no basement for zone modelling. Besides that, for solving of fire safety problems more detailed information is often required which can not be obtained on the basis of the parameters averaged by zone (layer). Field (CFD) models are more universal and powerful than zone models, because they are based on completely another principles. Instead of consideration of one or several zones one or several large zones field models use large amount (tens or hundreds thousands) of small control volumes, and no propositions are made on the structure of flow. For every control volume a set of partial differential equations is solved by numerical methods. These equations express the local conservation of mass, momentum and masses of species. Thus, the dynamic processes development is determined not by prior suggestions, but by results of the simulation only. Of course such models require significantly larger computational resources than one-zone and multi-zone models. But due to development of computer equipment field models became the important instrument for solving fire safety problems. In this work the examples are presented of field modeling application for the prediction of fire development in different enclosures. Mathematical model
The mathematical model implemented by means of the code SOFIE [0] included the following governing equations: - the continuity and momentum equations ∂ ρ ∂ ρu j + =0 ∂τ ∂ xj ∂ ρui ∂ ρ u j ui ∂p ∂ + =− + ∂τ ∂ xj ∂ xi ∂ x j
⎛ ⎞ ⎜ (µ + µ t ) ∂ u i ⎟ + ∂ ⎜ ∂ x j ⎟⎠ ∂ x j ⎝
,
(1)
⎛ ∂uj ⎞ ⎜ µt ⎟ + ρg i ⎜ ⎟ x ∂ i ⎝ ⎠ ,
- the equations of k-ε turbulence model [0] with buoyancy correction [0] ∂ ρk ∂ ρ u j k ∂ + = ∂τ ∂ xj ∂ xj ∂ ρε ∂ ρ u j ε ∂ + = ∂τ ∂ xj ∂ xj
⎛⎛ ⎜ ⎜ µ + µt ⎜ ⎜⎝ σk ⎝
⎛⎛ ⎜ ⎜ µ + µt ⎜ ⎜⎝ σε ⎝
738
⎞ ∂ε ⎟⎟ ⎠∂ xj
(2)
⎞ ⎟ + G K + G B − ρε ⎟ ⎠ ,
(3)
2 ⎞ ε ⎟ + [c1 (G K + G B ) ] − c 2 ρ ε ⎟ k k ⎠ ,
(4)
⎞ ∂k ⎟⎟ ⎠∂ xj
where µt = cµ ρ
k2
ε
,
⎛ ∂u ∂u ⎞ ∂u GK = µ t ⎜ i + j ⎟ i , ⎜ ∂x ⎟ ⎝ j ∂xi ⎠ ∂x j
GB = − β g
µt ∂T , σ t ∂x j
- the enthalpy equation ∂ ρh ∂ ρ u j h ∂ ⎛⎜ ⎛ µ µ t ⎜ + = + ∂τ ∂ xj ∂ x j ⎜⎝ ⎜⎝ σ h σ t
⎞ ∂h ⎟⎟ ⎠∂ xj
⎞ ⎟ + S h, rad ⎟ ⎠ ,
(5)
- the species equations ∂ ρYi ∂ ρ u j Yi ∂ + = ∂τ ∂ xj ∂ xj
⎛⎛ µ ⎜ ⎜ + µ t ⎞⎟ ∂ Yi ⎜ ⎜⎝ Sc Sct ⎟⎠ ∂ x j ⎝
⎞ ⎟ + Si ⎟ ⎠
. (6) The following values of constants [0] were used: C µ = 0,09 ; C1 = 1,44 ; C 2 = 1,92 ; σ k = 1,0 ; σ ε = 1,3 ; σt=σh =Sch=Sct=0,7
The eddy break-up model was used for the combustion modelling [0]: S f = −ρ
Y pr ⎫ ⎧ Y min ⎨C ⋅ Y f , C ox , B ⎬ k s s + 1⎭ ⎩ ,
ε
(7)
where C=4, B=2. The radiation heat transfer was considered by means of the discrete transfer radiation method (DTRM) [0]. Radiative properties of combustion products were determined according to the weighed sum of grey gases (WSGG) model [0] with Truelove approximation coefficients [0]. The equation of state for ideal gas was used as a closure of the set of governing equations. Optical density of smoke was supposed to be proportional to CO2 concentration: od = Dρ
YCO2
(1 + s )
(8)
This method of optical density calculation was suggested and approved on the experimental data in the work [0]. At the solid boundaries no-slip boundary condition (u,v=0) was applied. At the symmetry planes the condition v=0 was used for the velocity component normal to the plane and ∂Φ / ∂n = 0 for other conservative scalars. At free borders of calculation domain the condition p=0 was used. For the enthalpy equation isothermal boundary conditions were set at the floor and external side of the ceiling and walls. The heat transfer into a concrete ceiling and walls at the internal side was described by the standard approach of the wall functions [0]. The wall emissivity was accepted equal to 0.9. Modelling of fires in tunnels
The approvement of the model for simulation of tunnel fires was made on 739
the base of comparison with the results of large-scale fire tests in the “Memorial Tunnel” near Charleston (USA) [0]. The Memorial Tunnel is a two-lane, 800meter-long road tunnel. It has a 3.2 percent upgrade from the south to the north tunnel portal. The cross-sectional area of the tunnel is approximately 60 sq m. The tunnel has been out of service since it was bypassed by an open cut section of a new six-lane highway in 1987. After appropriate equipment of the tunnel 98 tests with various schemes of smoke extraction were carried out for experimental fires with heat release rate from 20 to 100 MW. For simulations the scenario with heat release rate of 20 MW and natural ventilation was selected. The scheme of the tunnel is shown in fig. 1.
800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 yc
Figure 1. The scheme of the tunnel
cz
cx
6 4 2 0 0
The example of the comparison of the simulation results with the experiment is presented in figure 2. The picture shows satisfactory correspondence of the calculated temperature and velocity values with the experimental data. a)
b)
(XY) ⏐ 14 Jan 2005 ⏐Internally created dataset
(XY) ⏐ 14 Jan 2005 ⏐Internally created dataset
7
580
Experiment Calculation
560 540
6
Experiment Calculation
520 500
5
480
T, K
V, m/s
460 440 420
4 3
400 380
2
360 340
1
320 300 0
200
t, s
400
0
600
0
200
t, s
400
600
Figure 2 Calculated and experimental dynamics of temperature (a) and velocity (b) at the distance 80 m from fire upgrade the slope at height of 7 m The described mathematical model was used for the simulations of fire dynamics in the real road tunnel in Moscow with width 18.2 m and height of 5.2 m. The tunnel length is 1500 m. The fire was supposed to be arisen as a result of a road accident with participation of a lorry and several cars. The maximum theoretical heat release rate of this fire corresponding to a level of 100 MW occurs at 15 minutes after the beginning of a fire. It was supposed, that the fire 740
arises in the middle of tunnel, therefore by virtue of symmetry to the longitudinal and cross vertical planes which are passing through the center of a fire, only 1/4 part of a real tunnel was considered in simulations. The scenarios were considered both at absence and at presence of a smoke extraction system. In the second scenario the smoke extraction zones were considered with length of 200 m. Each zone included two lines of valves placed with 10 m interval. The flow rate of each smoke extraction zone was 280000 m3/hour. The activation of smoke extraction system was made at the time moment of 30 s. In fig. 3 the fields of optical density of a smoke in the central vertical section are presented. The figure shows that the use of smoke extraction system delays both the smoke descending and the smoke spread along the trunk of the tunnel. By the time moment 300 s at presence of smoke extraction system the smoke spreads to the mark of 175 m (fig 3a), while at absence of smoke extraction system to the mark of 205 m (fig. 3b) On the basis the simulation results the times of evacuation ways blocking were determined with taking into account the following hazardous factors of fire: loss of visibility, rise of temperature up to critical value 70°C, increase of CO concentration until value of 1.16·10-3 kg/m3, rise of heat flux until 2 kW/m2. As the critical distance for an estimation of blocking time as a result of a visibility loss in a smoke the value of 20 m was chosen, that approximately corresponds to the width of a tunnel. According to GOST 12.1.004-91* this value of visibility distance under the standard conditions of a light exposure corresponds to the value of optical density of 0.12 Np/m. a)
myu:
0.1
0.12 0.238
0.3
0.5
1
xc
6 4 2 0 0 zc
20
40
60
80
100 yc
120
140
160
180
200
b) myu:
0.1
0.12 0.238
0.3
0.5
1
xc
6 4 2 0 0 zc
20
40
60
80
100 yc
120
140
160
180
200
Figure 3. The fields of optical density of smoke (Np/m) in the central longitudinal section of the tunnel at presence (a) and at absence (b) of the smoke extraction system at the time moment 300 s 741
The times of blocking of the evacuation ways for both scenarios of fire development is presented in the Table. The simulation results show that both at the case of natural ventilation and at the presence of smoke extraction system the loss of visibility is the most critical hazardous factor of fire. Time, s
60 120 180 240 300
Distance from the center of fire origin, blocked by hazardous factors of the fire, m Loss of visibility Temperature CO Heat flux Natural Smoke Natural Smoke Natural Smoke Natural Smoke ventilation extract ventilation extract ventilation extract ventilati extract on 60 3 3 105 85 6 6 140 120 12 10 175 140 90 20 17
These results were used for the construction of the evacuation exits from the tunnel. The calculation of people evacuation was made according the method described in GOST 12.1.004-91*. Because of geometrical peculiarities of the tunnel not only the time of complete evacuation of people to the safe zone, but also the times of their evacuation from every site between the fire source and evacuation exit were calculated. After that the comparison was made of the distributions of blocking time and time of evacuation along the length of the tunnel for several variants of the evacuation exit configuration. The distance between the exits equal to 100 m and the exit width 1.4 m were found to be optimal. Modelling of fire development in buildings with atria
In construction of modern buildings such enclosures as atria are widely used. The peculiarity of an atrium consists in the presence of the free volume which penetrates through the several floors of the building. In atrium design complex and frequently unique architectural decisions are often used. So in spite of the presence of fire codes which describe the requirements to the fire protection of atria it’s often necessary to carry out simulations for assessing people safety ensuring and effectiveness of fire protection system with taking into account the individual peculiarities of enclosure. In this work the simulation of fire dynamics is carried out inside the 5floored atrium by means of field (CFD) model. Two fire scenarios were considered with different location of the fire source. In both scenarios the fire origin was located in the first floor. In the first scenario it was in the center of atrium, in the second one it was in one of the rooms under the gallery connected with atrium volume. The real building in Moscow was considered with 5-level atrium. Atrium 742
galleries were not protected by glazing and smoke freely penetrated there. The smoke extraction system was supposed to be absent. The total height of atrium was 21.3 m. The height of the first floor was 4 m, the height of the others 3.5 m. The fire source was square with sizes 2x2 m. Two fire scenarios were considered with different location of the fire source. In both scenarios the fire origin was located in the first floor. In the first scenario it was in the center of atrium and combustion products appear immediately in the atrium volume. In the second scenario the fire source was in one of the rooms under the gallery connected with atrium volume. In both scenarios the wood was considered as a fuel. The heat release rate (HRR) corresponded to the law Q=αt2. Maximum HRR equal to 8 MW [0] was reached by the moment 10 min. The part of heat being loosed with radiation was taken equal to 30% [0]. The temperature fields in the central vertical cross section of the atrium is presented in fig. 4. 1 scenario: fire source is in the center of atrium at the floor level
2 scenario: fire source is in the room connected with the atrium gallery
743
Figure 4. Temperature fields (К) in the central vertical section of atrium Lets consider the first scenario. The picture shows that firstly (time moment 120s) the smoke appears at the upper levels of the atrium. In the next time moments the fire hazardous factors spread qualitatively corresponds to the picture described by zone model, according which the hot upper layer consequently descend from upper to low galleries. By the time moment 480 s atrium galleries at all floors except the first one are blocked with critical temperature. In contrast the fire development in the second scenario is significantly different. Just at the first minutes of fire development the smoke appears at the galleries of all floors. This contradicts to the picture described by zone method, because it can lead to the case when not the upper level will be blocked first. And really by the time moment 420 s the temperature at the left side of the second floor gallery exceeds the critical value while the temperature at the fifth floor is lower than critical and people egress can be continued. From the written above the conclusion can be made that zone models can be unreasonable for such enclosures as atria. This resulted from the fact that zone models are based on the suggestion about the formation of the upper layer of hot gases under the enclosure ceiling which descend downwards. The thermodynamic parameters of lower layer are usually supposed to correspond to the initial parameters of unvitiated air. The qualitative contradiction between this prior suggestion and the fire development being observed in the second scenario can lead to serious mistakes and underestimation of fire hazard at the lower levels of atrium. So the use of field models is more preferable, because due to their universality they are free from the limitations mentioned above. By means of field model the numerical simulation of fire dynamics is made in multilevel atrium with height 21.3 m. The results of two calculated scenarios show that: - When fire source is located in the center of atrium the field model simulation results corresponds to the fire development described by zone model. In the first minutes of fire the smoke layer under the ceiling is formed, which descends downwards and blocks gradually atrium galleries. The fire hazardous factors exceeds critical values simultaneously on the whole area and lower levels are blocked later. - When fire source is located in the room under the gallery connected with atrium volume zone models can lead to significant mistakes, because in this case the picture of fire development can contradict to basic prior suggestions of zone modelling.
744
Thus for simulation of fire hazardous factors spread and for assessment of evacuation ways blockading time in atrium the field modeling method is the most preferable. References:
[1] Welch S, Rubini P., SOFIE, Simulations of Fires in Enclosures, User Guide, Cranfield University, 1996 [2] Launder B.E., Spalding D.B. The Numerical Computation of Turbulent Flow // Comp. Meth. Appl. Mech. Eng. - 1974. - N3. - pp.269-289. [3] Hossain M.S., Rodi W. A Turbulence Model for Buoyant Flows and Its Application for Vertical Buoyant Jets // « Turbulent Buoyant Jets and Plums » (Rodi W. ed.), HMT Series: Oxford, England. - 1982. - V.6. pp.121-172. [4] Cox G. Combustion Fundamentals of Fire. - London: Academic Press, 1995. - 476 p. [5] Magnussen, B.F. and Hjertager, B.H. On mathematical modelling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion // 16th Symp. (Int.) Combust. The Combustion Institute, Pittsburgh, PA. - 1976. - pp.719-729. [6] Lockwood, F.C. and Shah, N.G. A new radiation solution method for incorporation in general combustion prediction procedures // 18th Symp. (Int.) Combust. The Combustion Institute, Pittsburgh, PA. - 1981. pp.1405-1414. [7] Bressloff N.W., Moss J.B., Rubini P.A. Assessment of a Total Absorptivity Solution to the Radiative Transfer Equation as Applied in the Discrete Transfer Radiation Model // Numerical Heat Transfer, Part B. - 1996. V.29. - pp.381-397. [8] Truelove J.S. HTSF DR33, AERE, Harwell, Oxon, England. 1975. [9] Ingason H. and Persson B. Prediction of optical density using CFD // Proc. of Sixth Int. Symp. on Fire Safety Science - pp.817-828. [10] Luchian S. and Arthur Bendelius A. The West Virginia Memorial Tunnel Fire Test Program.// Proceedings of the Int. Conference on Fires in Tunnels. Boras,Sweden. October 10-11,1994. P. 215-221 [11] Quintiere J.G. “Priniples of Fire Behavior”, Delmar Publishers, 1997 – 258 pp
745
Einfluss des Phänomens des turbulenten Flammenlöschens auf die Wirkungsweise von statischen Flammendurchschlagsicherungen Torsten FAUSTMANN Suzetteweg D – 13127 Berlin 1. Einleitung
Flammendurchschlagsicherungen werden für die Absicherung von Behältern und Leitungsanlagen verwendet, in denen aufgrund der zu lagernden oder zu transportierenden Medien explosionsfähige Atmosphären auftreten können. Der Einsatz und die Prüfung dieser Armaturen, auch Flammensperren genannt, sind im europäisch harmonisierten Regelwerk festgelegt. Das Wirkprinzip von flammendruchschlagsicheren Armaturen besteht darin, dass eine Verbrennungswelle, die in einen hinreichend engen Spalt hineinläuft, in diesem verlischt. Die Löschwirkung in engen Spalten beruht darauf, dass aus der Verbrennungszone Wärme abtransportiert wird und die Reaktion an dem Wandmaterial der Spalten Radikale verliert. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass das Wandmaterial keinen signifikanten Einfluss auf das Flammenlöschen hat, weshalb es anerkannte Meinung der Fachwelt ist, dass die Wärmesenke durch die das Reaktionsvolumen umgebene Zone (stromab und stromauf) selbst sowie durch die Vorgänge in der wandnahen laminaren Unterschicht gebildet wird.13 Die Prüfung und Zulassung der Flammensperren geschieht allein durch zertifizierte Prüfstellen, wie z.B. die Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM) in Berlin, das Institut für Sicherheitstechnik (IBExU) in Freiberg oder das tschechische Physical-Technical Testing Institute (FTZU) in Ostrava. Dennoch gibt es seit Jahren Bestrebungen, die Wirkungsweise der Flammensperren durch analytische Berechnung der Spaltweite nachzuweisen. Ein Ansatz ist die Energiebilanz nach Damec.14 Nachrechnungen für spezielle Fälle haben gezeigt, dass sich Spaltweiten um mehrere Zehnerpotenzen zu klein ergeben, was auf bisher nicht in Betracht gezogene Wirkungsweisen schließen lässt. Es muss die Frage gestellt werden, um welche Wirkungsweisen die thermodynamischen Lösungsansätze, wie z.B. nach Damec oder Bussenius15, erweitert werden müssen, um die im Experiment gefundenen Spaltweiten auf analytischem Wege zu bestätigen. Dies könnte das turbulente Flammenlöschen sein, was in diesem Vortrag dargestellt wird. 13
Schampel, K.: Flammendurchschlagssicherungen. Expert- Verlag, 1988 Damec, J.: Protivybuchova Prevence. 8. Edice Spectrum, 1998. S. 157 ff 15 Bussenius, S: Wissenschaftliche Grundlagen des Brand- und Explosionsschutzes. Kohlhammer-Verlag,1996 14
746
2. Grundlagen
Die vorrangig auf thermodynamische Betrachtungsweise basierende Bilanz nach dem Ansatz von Damec für Flammendurchschlagssicherungen wurden von Faustmann16 angewendet um die kritische Spaltweite am Beispiel für die Deflagrationsreaktion für ein Propan- Luft - Gemisch auf analytischem Wege zu ermitteln. Dabei zeigte sich, dass die Formel bei rein formaler Anwendung der Flammengeschwindigkeiten aus dem Experiment sowie einer halbkugelförmigen Flammenoberfläche keine Lösungen in den zu erwartenden Größenordnungen liefert. Demnach scheinen thermodynamische Effekte nicht die einzigen Phänomene zu sein, die in engen Spalten wirken, denn rechnerisch wäre eine sehr kleine Geschwindigkeit erforderlich, damit die praktisch gemessenen Spaltweiten als Lösung erreicht werden. Offensichtlich wirken strömungsmechanische Einflüsse wie z.B. die Turbulenz, die in der Energiebilanz nicht erfasst sind, wodurch dann die verlöschende Wirkung der Flammendurchschlagssicherung auftritt. 3. Ausgangspunkt der Überlegungen
Beim Flammenlöschen werden allgemein drei Phänomene unterschieden: Flammenlöschung durch Streckung, Flammenlöschung an der Wand und in engen Spalten. Die Wirkung der Flammensperren beruht auf dem Phänomen des Löschens in engen Spalten, in dem mehr Wärme aus der Reaktionszone abgeführt als durch die Verbrennung gebildet wird. Weiterhin wird das Flammenlöschen an der Wand, wie auch an den Wandungen von engen Spalten, durch Wechselwirkung der Flamme mit den Wänden des Reaktionsraumes verursacht. Verantwortlich hierfür sind, sowohl Wärmeableitung an die Wand, was zu einer Abkühlung der Reaktionszone führt, als auch die Zerstörung der Radikale als reaktive Zwischenprodukte von Reaktionen an der Oberfläche einer Wand. Nach den geometrischen Gegebenheiten lassen sich hier Löschung einer zur Wand parallelen Flammenfront, Löschung einer zur Wand senkrechten Flammenfront und die Flammenlöschung in Spalten unterscheiden. Der Einfluss der Wärmeableitung an eine Wand ist jedoch bezüglich der Flammensperren kritisch zu sehen, da es nur solange von Bedeutung sein kann, bis der gesamte Metallkörper auf Flammentemperatur aufgeheizt ist und es keine Temperaturdifferenz von einer Spalte zur nächsten gibt. Die Löschung einer Flammenfront parallel zu einer Wand bedeutet praktisch, dass Flammenfronten in der Nähr kalter Wände nicht existieren können. Der minimal mögliche Abstand der Flamme zur Wand ist der Löschabstand; er ist von der Größenordnung der Flammenfrontdicke.17 16
Faustmann, T.: Quenching of Combustible Gas-Air- Compounds in Narrow Gaps at Deflagration Reactions. Dissertation 2005 17 Warnatz, J., Maas, U., Dibble, W.: Verbrennung. 3. Auflage. S. 283
747
Nachdem die Flamme diese Position erreicht hat, bewirken Wärmeableitungsund Diffusionsprozesse eine Verbreiterung und damit eine erneute Änderung der Flammenposition. Bei der Löschung einer Flammenfront senkrecht zu einer Wand wirken die gleichen Wärmeableitungs- und Diffusionsprozesse wie bei der Löschung parallel zu einer Wand. Für ein quantitatives Verständnis sind Lösungen der zweidimensionalen Erhaltungsgleichungen mit einem umfangreichen Chemismus mit mehr als 100 ablaufenden Reaktionen notwendig. Solche Rechnungen sind mit vernünftigen, abschätzbarem Aufwand zur Zeit noch nicht ausführbar. Gleichlautend gilt dies für die Löschung in einem engen Spalt, deren quantitative Modellierung mit hinreichender Genauigkeit wohl erst zukünftig möglich sein wird. Bei der von Faustmann durchgeführten analytischen Bestimmung der Spaltweite hat sich gezeigt, dass eine Lösung über die Energiebilanz zu Spaltweiten führt, die um Zehnerpotenzen kleiner sind, als sie im Experiment nachgewiesen wurden. Die Berechnungen zeigen, dass die analytischen Lösungen besonders sensibel auf die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit und der Oberfläche der Flammenfront sind, also genau die Größen die experimentell noch nicht bestimmt bzw. bestimmbar sind. Da also die rein thermodynamische Betrachtung nicht zum Ziel geführt hat, müssen das gleichzeitige Wirken eines oder mehrerer der oben beschriebenen Phänomene unterstellt werden und es ist anzunehmen, dass in den engen Spalten, neben den thermodynamischen Vorgängen noch andere Mechanismen wie zum Beispiel das Flammenlöschen durch strömungsmechanischen Effekte, wie Streckung oder Turbulenz, zum Tragen kommen. Die Flammenlöschung durch Streckung ist ein Prozess, der ausschließlich von den Vorgängen in der verbrennenden Gasmischung kontrolliert wird. Starke Streckung von Flammenfronten, wie sie aufgrund von intensiver Turbulenz entsteht, führt zu einer lokalen Löschung der Flammen. Findet keine erneute Zündung statt, so verlässt der Brennstoff unverbrannt die Reaktionszone. Zur Beschreibung des Phänomens des turbulenten Flammenlöschens ist es erforderlich, die reaktionskinetischen Vorgänge der Flammenausbreitung aus strömungsmechanischer Sicht zu betrachten. Bei den anzustellenden Überlegungen wird dabei immer von einer vorgemischten turbulenten Flamme ausgegangen, weil dies den Geschehnissen in Flammendurchschlagssicherungen entspricht, wenn aufgrund einer nichtplanmäßigen Zündung eines brennbaren Gas-Luft-Gemisches eine Flamme auf die Armatur zuläuft.. Der Unterschied zu einer nicht vorgemischten Flamme besteht darin, dass im Idealfall eine nicht vorgemischte Flamme unendlich schnelle Chemie beinhaltet, die zum zu dem jeweiligen Mischungsbruch gehörenden Gleichgewicht führt, wobei der Mischungsbruch variiert. Das unverbrannte Gas in einer idealen vorgemischten Flamme ist vollkommen durchmischt, bevor die chemische Reaktion einsetzt. Die chemische Reaktion führt dazu, dass an der Grenzfläche ein schneller 748
Übergang von unverbrannt zu verbrannt stattfindet. Die Grenzfläche bewegt sich mit der Geschwindigkeit der Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit.18 Die Bewegung einer Vormischflamme ist eine Überlagerung von Flammenfortpflanzung und laminarer oder turbulenter Strömung Die Flammenform bei laminarer Flammengeschwindigkeit besitzt eine V-Form bzw. Halbkugelform. Bei turbulenter Strömung ändert sich der Winkel und die Oberfläche der Flamme ständig und die Flammenränder sind nicht klar abgegrenzt. Die bei zunehmendem Turbulenzgrad zunehmende dreidimensionale Struktur der Flamme lässt sich anhand des Borghi-Diagramms erklären. Turbulente Flammen sind dreidimensional und instationär, weshalb selbst eine direkte numerische Simulation heutzutage bei weitem die Möglichkeiten der erforderlichen Rechenkapazitäten übersteigen. Eine Alternative stellt die Entwicklung von Modellen dar, die eine Beschreibung der wichtigsten Eigenschaften turbulenter Flammen ermöglicht. Ein solches Modell ist das Flamelet-Modell. Darin wird die turbulente Flamme als ein Ensemble vieler kleiner laminarer Flammen im turbulenten Strömungsfeld betrachtet. Aus diesem Grund lässt sich die turbulente Flammenausbreitung bis zu einem gewissen Grad auf die laminaren Vormischflammen zurückführen. Auf diese wird im Rahmen dieses Vortrages nicht eingegangen sondern auf die verfügbare Literatur, wie z.B. bei Joos19 zu diesem Thema verwiesen. 4. Turbulente Flammenausbreitung
Grundlage der Wärmebilanz nach Damec ist eine eindimensionale, stationäre, laminaren Strömung der Flamme eines gezündeten Gasgemisches sowie deren Transportprozesse, die eine Bewegung der Flamme bewirken. Dabei stehen die Vorwärmung und die Diffusion der aufbereiteten Edukte durch die Produkte sowie die Konvektion aus der Primärzone der Flamme in die Sekundärzone und die Zone stromauf der Primärzone im Gleichgewicht (siehe Abbildung 1). Abbildung A1: Wärmebilanz einer laminaren Flamme in einer Rohrströmung, Zündung bei x: t = t0, bei dx ist: t = t0 + ∆t
18 19
Warnatz, J., Maas, U., Dibble, W.: Verbrennung. 3. Auflage. S. 221 ff Joos, F.: Technische Verbrennung.2006. S. 277 ff
749
Für die Masse m in einem stationären, infinitesimalem Reaktionsvolumen dV mit einer konstanten Ein- bzw. Austrittsfläche A und der Länge dx gilt von dem Zeitpunkt der Zündung für die Zeit dt: ∂m = m& x − m& x + dx = ρ u A x − ρ u A ρ u A x + dx = 0 (1) ∂t m&
ρ
u
A
Massenströme der Edukte und Produkte [kg/h] mittlere Dichte [kg/m³] mittlere Geschwindigkeit [m/s] hydraulisch wirksame Ein- bzw. Austrittsfläche [m²]
Die Massenströme der Edukte und Produkte sind für den stationären Fall gleich, weshalb die Erhaltungsgleichungen gelten. Diese sind bereits vielfach für laminare Flammen veröffentlicht, wie zum Beispiel bei Warnatz et.al.20 Die Erhaltungsgleichungen bilden ein kompliziertes Differentialgleichungssystem, das analytisch zur Zeit nicht lösbar ist. Es gibt nur allgemeine Lösungen, welche mittels numerischer Verfahren herbeigeführt werden können. Bei der Anwendung starker Vereinfachungen ist eine analytische Lösung möglich, wie dies z.B. das vereinfachte Modell der thermischen Flammenfortpflanzung von Zeldovich und Frank-Kamenetzkii ist, wo von einer stationären Flamme ausgegangen wird und die Verbrennung in einer Einschritt- Reaktion vonstatten geht. Bei Warnatz et al. sind detaillierte Angaben für die numerische Lösung der Erhaltungsgleichungen zu finden. Ebenso wurde ein für eine Einschritt-Reaktion vereinfachter Ausdruck für die Flammengeschwindigkeit hergeleitet. Nach diesem Modell ist die laminare Flammengeschwindigkeit stark von der Wärmeleitfähigkeit des Gemisches, ausgedrückt durch den mittleren Diffusionskoeffizienten, und von der Reaktionszeit abhängig. Dies wird anschaulich klar, wenn man bedenkt, dass die laminare Flammenausbreitung durch diffusive Prozesse erfolgt und die dazu erforderlichen Gradienten durch den Fortschritt chemischer Reaktionen entstehen.21 Bei der deflagrativen Verbrennung eines Propan- Luft- Gemisches handelt es sich um eine turbulente Strömung mit turbulent vorgemischten Flammen. Eine vorgemischte turbulente Flamme ist durch dreidimensionale Strukturen gekennzeichnet, deren Winkel sich ständig ändert und deren Ränder unregelmäßig sind. Optisch entsteht eine breite diffuse, stark fluktuierende Struktur mit einer gewinkelten und aufgerissenen Flammenfront. Um die turbulenten Flammen besser verstehen zu können, soll nachfolgend zunächst etwas zu turbulenten Strömungen gesagt werden. Turbulenz ist von ihrer Natur aus chaotisch und durch eine hohe Nichtlinearität der zugrunde liegenden physikalisch-chemischen Prozesse gekennzeichnet. Selbst kleine Änderungen der Parameter eines Strömungsfeldes 20 21
Warnatz, J., Maas, U., Dibble, W.: Verbrennung. 3. Auflage. S. 27 ff Warnatz, J., Maas, U., Dibble, W.: Verbrennung. 3. Auflage. S. 121 ff
750
können zu Instabilitäten und damit zur Ausbildung von Turbulenz führen. In laminaren Strömungen nehmen Geschwindigkeit und skalare Größen definierte Werte an. Turbulente Strömungen sind jedoch durch kontinuierliche Fluktuationen der Geschwindigkeit charakterisiert, welche zu Fluktuationen der skalaren Größen wie Dichte, Temperatur und Konzentration führen können. Die Fluktuationen werden durch Wirbel bedingt, die durch Scherkräfte in der Strömung entstehen. Der resultierende Konvektionsprozess beschleunigt die Vermischung erheblich. Die Fläche der Grenzschicht vergrößert sich und die molekularen Mischungsprozesse nehmen stark zu. Zudem wird die Geschwindigkeit der molekularen Mischungsprozesse durch die Streckung der Grenzfläche erhöht. Das Wachstum der Wirbel folgt aus einer Konkurrenz zwischen ihrer nichtlinearen Erzeugung und ihrer Zerstörung durch Dissipation. Der Umschlag einer laminaren in eine turbulente Strömung erfolgt bei einer charakteristischen Reynoldszahl, welche die Konkurrenz zwischen der destabilisierenden Trägheitskraft und einer stabilisierenden oder dämpfenden Viskositätskraft widerspiegelt. Überwiegen die destabilisierenden Prozesse die stabilisierenden Vorgänge, so führen selbst kleine Störungen zu wesentlichen Änderungen der Strömung und bewirken somit einen Umschlag in Turbulenz. Turbulente Flammen sind dreidimensional und instationär, weshalb selbst eine direkte numerische Simulation heutzutage bei weitem die Möglichkeiten der erforderlichen Rechenkapazitäten übersteigen. Eine Alternative stellt die Entwicklung von Modellen dar, die eine Beschreibung der wichtigsten Eigenschaften turbulenter Flammen ermöglicht. Ein solches Modell ist das Flamelet-Modell. Darin wird die turbulente Flamme als ein Ensemble vieler kleiner laminarer Flammen im turbulenten Strömungsfeld betrachtet. Geht die turbulente Reynoldszahl gegen Null, so geht das Modell in das Modell einer laminaren Flamme über. Turbulente Flammen sind im Gegensatz zu laminaren Vormischflammen auch bei konstanten Randbedingungen nicht ortsfest sondern unterliegen zeitlichen Änderungen. Die Reaktionszone bildet bei kreisrunden Querschnitten keine Kegel- oder Halbkugelfläche wie dies bei laminaren Flammen der Fall ist, sondern ist gewellt und ohne glatte Strukturen. Je nach der Geschwindigkeit der Änderung der turbulenten Schwankungen ändert sie Gestalt und Lage im Raum ständig. Eine systematische Erklärung der turbulenten Vormischflammen stützt sich auf die Vorstellung, dass sich stetig bildende laminare Flammenfronten durch die Turbulenz im Gemisch sich stark verformen und durch turbulente Diffusion der ständig neu in die Flammenfront eintretenden Gemischwirbel in der Reaktionszone hin und her fluktuiert. Es entstehen sehr hohe örtliche Geschwindigkeitsgradienten längs der Flammenfront. Analog zur laminaren Flammengeschwindigkeit SL kann eine turbulente Flammengeschwindigkeit ST definiert werden, welche von den Turbulenzgrößen abhängt. Die turbulente Flammengeschwindigkeit kann als
751
zeitlicher Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit des unverbrannten Gemisches normal zur Mitte der turbulenten Flammenfront definiert werden.22 Die Turbulenz beeinflusst die turbulente Flammengeschwindigkeit derart, dass große Wirbel (aus denen sich im weiteren Verlauf kleinere Wirbel bilden) entstehen, welche größer als die Dicke der laminaren Flammenfront sind, und die Flammenfront auffalten oder aufreißen und damit die wirksame Reaktionsfläche vergrößern. Dies führt wiederum zu einer größeren turbulenten Flammengeschwindigkeit. 1984 wurde das doppelt logarithmischen Borghi- Diagramm vorgestellt, womit sich die zunehmende dreidimensionale Struktur mit zunehmenden Turbulenzgrand erklären lässt (siehe Abbildung 3, rechts). Bei der laminaren Flammenausbreitung ist die mittlere Geschwindigkeit der Transportvorgänge senkrecht zur Flammenfront gleich groß, also eindimensional. Die örtliche Strömungsgeschwindigkeit u (x,y,z,t) ist immer gleich ihrem zeitlichen Mittelwert u ( x, y, z ) . Technische Verbrennungsprozesse finden allerdings meist bei turbulenten Bedingungen statt, welche durch eine schnelle Fluktuation von Geschwindigkeit, Dichte, Temperatur oder Stoffkonzentrationen gekennzeichnet ist. Die örtliche allgemeine Geschwindigkeit u in einem turbulenten Strömungsfeld ist durch eine Überlagerung des zeitlichen Mittelwerts mit einem momentanen Schwankungswert gekennzeichnet und wie folgt beschreibbar: u ( x, y , z , t ) = u ( x , y , z ) + u ′( x, y , z , t ) (2) u u
u' t
allgemeine Geschwindigkeit [m/s] massengemittelte Geschwindigkeit [m/s] momentane Schwankungsgeschwindigkeit [m/s] Zeit [s]
Die mittlere Schwankungsgeschwindigkeit ′ = u′2 ( x , y , z , t ) urms
(3) wird als wird als Turbulenzintensität u'rms oder einfach als rms-Wert (root mean square) bezeichnet und ist geeignet eine turbulente Strömung zu charakterisieren. Turbulente Strömungen und deren Wechselwirkung sind durch weitere Kennzahlen beschreibbar. Eine freie turbulente Strömung besteht aus einer Vielzahl von Wirbeln unterschiedlicher Größe, in der sich eine sogenannte Wirbelkaskade ausbildet. Es findet ein ständiger Energietransport zwischen den unterschiedlich großen Wirbeln statt. Dabei wird durch Reibung Energie von den großen Wirbeln zu den kleinen Wirbeln übertragen, wobei die produzierte Turbulenzenergie in innere Energie umgewandelt wird, also dissipiert. Weil in Größe und Wirkung verschiedene Wirbel bekannt sind, wird von einer 22
Günther, R.: Verbrennung und Feuerungen. Springer-Verlag, 1974. S.84
752
Wirbelkaskade gesprochen. In Abbildung 2 ist die normierte spektrale Energieverteilung der Wirbel über den Kehrwert der Wirbelgröße, der Wellenzahl κ aufgetragen. Makrowirbel, deren Größe bis in den Bereich der begrenzenden Geometrie liegen kann, werden mit dem turbulenten Makromaß LL oder L0 beschrieben. Die Wirbel, die den größten Anteil aus dem Spektrum an kinetischer Energie transportieren, werden mit dem integralen Längenmaß L gekennzeichnet, das aus der Korrelationsfunktion ℜ ermittelbar ist:23 ∞
L = ∫ ℜ(r )dr
(4)
0
wobei die Korrelationsfunktion definiert ist mit: r r ℜij = ( x , r ) =
[m/s]
u'ij
r r r ui′( x )u′j ( x + r ) r r r u ′2 i ( x ) ⋅ u ′2 j ( x + r )
(5)
momentane Schwankungsgeschwindigkeit mit Laufindizes i und j
r r x, r
Vektoren im zylindrischen Koordinatensystem, r = radiale Komponente
Abbildung 2: Wirbelkaskade einer turbulenten Strömung. Normierte spektrale Energieverteilung in Abhängigkeit von der Wellenzahl κ.24 Ersetzt man in der Definition der Reynolds–Zahl
Re =
uD
ν
die
charakteristische Länge D durch das integrale Längenmaß der turbulenten Strömung und die mittlere Geschwindigkeit u durch die Turbulenzintensität, so lässt sich die turbulente Reynolds–Zahl ReT definieren: u′ L ReT = rms (6) ν 23
Kuo, K.K.: Principles of Combustion, Wiley- Verlag New York, 1986 Kröner, M.: Einfluss lokaler Löschvorgänge auf den Flammenrückschlag durch verbrennungsinduziertes Wirbelaufplatzen. Dissertation, München, 2003. S 30
24
753
Zur Abschätzung der Schubspannungen innerhalb einer Strömung dient das Taylor–Mikromaß λT. Es gilt allgemein und wird keiner bestimmten Wirbelgröße zugeordnet: ′ urms
λT =
′ ⎞ ⎛ ∂urms ⎟ ⎜ ⎝ ∂x ⎠
(7)
2
Die Wirbel, die die kleinsten kohärenten Strukturen vor dem Übergang zur ungeordneten Wärmebewegung bilden, werden durch das sogenannte Kolmogorov–Mikromaß ls und die Kolmogorov–Geschwindigkeit uls definiert, die sich auf Basis der kinematischen Viskosität ν und der Dissipationsrate ε der turbulenten kinetischen Energie berechnen lassen: ls 4
ε
ν3 ε
u ls = 4 ε ⋅ν
(8)
Dissipationsrate der turbulenten kinetischen Energie [m² / s³]
Aus diesen turbulenten Längenmaßen werden mit Hilfe der Turbulenzintensität u′rms die entsprechenden Zeitmaße definiert, die auch als Lebensdauer der Wirbel interpretiert werden: L τL = Zeitmaß für größte Wirbel (9) ′ u rms
τ λT =
τ ls =
λT
′ u rms
ls u ls
Zeitmaß für Taylor- Wirbel
(19)
Zeitmaß für kleinste Wirbel
(11)
Die Größenordnungen lassen sich abschätzen:25 λT L
≈ Re T−1 / 2
λT ls
≈ Re1T/ 4
ls ≈ Re T−3 / 2 L
(12)
In Kombination mit einem in der Literatur eingeführten charakteristischen chemischen Zeitmaß26 lassen sich mit den turbulenten Zeitmaßen dimensionslose Kennzahlen definieren, die eine Beschreibung und einen Vergleich unterschiedlichster reagierender turbulenter Strömungen ermöglichen. Die Damköhler–Zahl Da gibt die Wechselwirkung zwischen großen Wirbeln der charakteristischen Länge L und der Reaktion: 25
Beauvais, R.: Brennverhalten vorgemischter, turbulenter Wasserstoff- Luft- Flammen in einem Explosionsrohr. Dissertation, München, 1994 26 Kröner, M.: Einfluss lokaler Löschvorgänge auf den Flammenrückschlag durch verbrennungsinduziertes Wirbelaufplatzen. Dissertation, München, 2003: S. 13 ff
754
Da =
τL τc
(13)
Den Einfluss kleiner Wirbel der Größe ls auf die Reaktion beschreibt die Karlowitz–Zahl Ka: Ka =
τc τ ls
(14)
Der Karlovitz– Streckungsfaktor K beschreibt die Lebensdauer der Taylor–Wirbel und setzt sie mit dem chemischen Zeitmaß in Beziehung:
K=
τc τ λT
(15)
Entspricht die Lebensdauer der Wirbel in etwa dem Zeitmaß der chemischen Reaktion (Da ~ 1, K ~ 1 und Ka ~ 1), ist eine starke Interaktion zwischen Reaktion und den jeweiligen Wirbeln (L, λT, ls) zu erwarten. Ist die dimensionslose Kennzahl viel größer oder viel kleiner als 1, spielt einer der beiden Prozesse, Reaktion (τc) oder Strömung (τL, τλT, τls) eine untergeordnete Rolle. Diese Kennzahlen erlauben bei Kenntnis experimenteller Größen die Strömung in engen Spalten einzuschätzen. 5. Das Borghi-Diagramm
Als ein Hilfsmittel zur Einteilung der turbulenten Verbrennung dient das bereits oben erwähnte Diagramm nach Borghi (siehe Abbildung 3, rechts), womit sich die zunehmende dreidimensionale Struktur mit zunehmenden Turbulenzgrand erklären lässt.27 Die darin verwendeten Parameter sind die Damköhler-, Karlovitz- und die turbulente Reynolds-Zahl, womit die Bereiche der verschiedenen Flammenfronten unterteilt sind. Das Borghi-Diagramm stellt auf Grundlage der genannten Ähnlichkeits-Zahlen, in einem Phasendiagramm die mit zunehmendem Turbulenzgrad zunehmende dreidimensionale Struktur der Flamme dar. Bereich 1 wird durch die Linie für ReT = 1 begrenzt und kennzeichnet die laminaren Flammen. Im Bereich 2 liegen die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen u' noch unter der laminaren Flammengeschwindigkeit SL. Die Flammen sind zwar leicht wellig, aber sind in ihrer Struktur noch laminar. Mit steigender Turbulenzintensität, der durch den Bereich 3 gekennzeichnet ist, verstärkt sich die Faltung der Flamme. Durch Dehnungs- und Krümmungseffekte nimmt die Fläche der Flammenfront zu, der Brennstoffumsatz und die Brenngeschwindigkeit steigen. Lokal liegen aber immer noch laminare Flammenstrukturen vor. Diese werden Flamelets genannt 27
Warnatz, J:, Maas, U., Dibble, R.W.: Verbrennung, 2001, S. 222 ff
755
und begründen das Flamelet-Modell (siehe Abbildung 3, links). Im Bereich 4 (Ka > 1) unterschreiten die turbulenten Zeitmaße die chemischen Zeitmaße, und kleine turbulente Wirbel dringen in die Reaktionszone ein und verstärken diese. Im Gegensatz zu den Bereichen 2 und 3, in denen die Erhöhung der Flammengeschwindigkeit durch Auffaltung und Vergrößerung der Flammenfläche erfolgt, geschieht dies im Bereich 4 vor allem durch die schnellen turbulenten Transportprozesse innerhalb der Flammenfront. Entlang der Linie Da = 1 laufen die chemischen Prozesse in der gleichen Zeitskala ab wie der turbulente Transport. Bei weiterer Steigerung der Turbulenzintensität (Da < 1) findet eine schnelle Durchmischung des unverbrannten Gasgemisches und verbranntem Gas bzw. den Zwischenprodukten statt, bevor es aufgrund der im Vergleich zur Strömung relativ langsamen chemischen Reaktion verbrennt. Der Umsatz der Verbrennung ist hier unabhängig von den turbulenten Mischvorgängen und wird nur noch von der Reaktionskinetik bestimmt. Bereich 5 wird daher auch als homogener Reaktor (perfectly stirred reactor, psr) bezeichnet. Der Vorstellung des Flamelet-Modells liegen Überlegungen bezüglich des Zeitskalenspektrums zugrunden, wonach nur wenige chemische Zeitskalen mit den turbulenten, physikalischen Skalen wechselwirken. Die Grundidee bei der Flamelet-Behandlung besteht also in der Trennung von chemischer Dynamik und dem turbulenten Strömungsfeld. Dies ermöglicht es, die turbulente Flamme in viele, kleine laminare Flamelets aufzuteilen und getrennt von den physikalischen Prozessen zu berechnen. Die turbulente Flamme wird somit als ein Ensemble vieler kleiner laminarer Flämmchen (Flamelets) angenähert, die alle die gleiche skalare Dissipationsgeschwindigkeit besitzen. Voraussetzungen bei der Flamelet-Behandlung ist Da >> 1, was einer sehr dünnen Reaktionszone entspricht. Die Annahmen für die Gültigkeit des Flamelet-Modells sind bei Joos wie folgt zusammengefasst:28 -
-
28
Konzentrationen der Spezies sind eindeutige Funktionen des Mischungsbruches, eine mehrdimensionale turbulente Flamme ist beschreibbar über viele eindimensionale, laminare Flamelets im Mischungsbruchraum, gleiche Diffusivität aller Spezien (Le = 1)
Joos, F.: Technische Verbrennung. 2006. S. 385, 386
756
Abbildung 329 Links: Verdeutlichung des Flamelet-Modells und der Zusammensetzung der turbulenten Flammen aus vielen einzelnen laminaren Flammen Rechts: Borghi-Diagramm zur Beschreibung turbulenter Flammen Um die Beschleunigung der Flammengeschwindigkeit aufgrund der Turbulenz zu berücksichtigen, wird analog zur laminaren Flammengeschwindigkeit SL eine turbulente Flammengeschwindigkeit ST definiert. Ein gutes Modell zur Berechnung der turbulenten Flammengeschwindigkeit stellte Damköhler30 erstmals vor, der einen Ansatz für die Flammenstreckung einführte, welcher allerdings nicht alle Turbulenzeffekte berücksichtigte. Grundlage ist die Vorstellung, dass sich die Flammenfläche durch den Einfluss turbulenter Wirbel vergrößert. Aus der Massenbilanz ρ0SLAL= ρ0STAT
(16)
mit
AL Gesamtfläche der gewinkelten laminaren Flammenfront AT Fläche der mittleren turbulenten Flammenfront SL laminare Flammengeschwindigkeit turbulente Flammengeschwindigkeit ST ergibt sich der Zusammenhang: ST = S L ⋅
AT
AL AT
(17)
Fläche der zeitlich gemittelten Flamme
29
Kathan, R.: Experimentelle Untersuchungen an einem LPP-Brenner, Flammencharakterisierung und Stabilitätsbetrachung. Diplomarbeit, München, 2004 30 Warnatz, J:, Maas, U., Dibble, R.W.: Verbrennung, 2001 mit Verweis auf Primärliteratur: Damköhler, G.: Der Einfluß der Turbulenz auf die Flammengeschwindigkeit in Gasgemischen. In: Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte Chemie, 46. 1940, S. 601 - 626
757
AL
Fläche der durch Turbulenz gestreckten, ihrer Struktur aber noch laminaren Flamme Der Ansatz für die Flammenstreckung ist nach Damköhler: u′ AL = 1 + rms AT SL
(18)
woraus sich die Flammengeschwindigkeit ST ausdrücken lässt: S T = S L (1 +
u ′rms ) SL
S T = S L + u ′rms
(19)
Es wird anschaulich klar, dass die turbulente Flammengeschwindigkeit ST linear mit steigender Turbulenzintensität ansteigt. Eine Abhängigkeit von den turbulenten Wirbelgrößen L und λT besteht nicht. Das von Damköhler eingeführte Modell kann allerdings aufgrund seiner einfachen Modellannahmen nicht alle Effekte der turbulenten Flammenausbreitung berücksichtigen. 6. Turbulentes Flammenlöschen
Eine Streckung der Flamme, die eine Vergrößerung der Flammenfront bewirkt erfolgt, durch Entstehung eines Geschwindigkeitsgradienten in Strömungsrichtung durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit. Dadurch kommt eine größere Menge an unverbranntem Gasgemisch in die Primärzone der Flamme. Die damit einhergehende Abkühlung der Reaktionszone kann beim Erreichen einer kritischen Streckung bzw. eines kritischen Streckungsfaktors K durch die Wärmefreisetzung der Reaktion nicht mehr ausgeglichen werden, die Reaktionstemperatur sinkt unter die Zündgrenze und die Flamme erlischt. Dieser Löschvorgang erfolgt ohne externe Wärmesenke; die Wärmesenke sind die unverbrannten Edukte des Gas- Luft- Gemisches bzw. die Reaktionszone selbst. Auf Flammensperren bezogen bedeutet dies, dass deren Wirkungsweise bis zu einem gewissen Grad vom verwendeten Material für die Herstellung der gewickelten Metallpackungen ist, was auch bereits publiziert wurde.31 Allerdings sind die Vorgänge beim Verlöschen in engen Spalten komplex und unterliegen neben thermodynamischen auch den strömungstechnischen Randbedingungen, die oben anhand der chemischen Zeitmaße dargestellt wurden. Die Entwicklung eines chemischen Zeitmaßes für das turbulente Flammenlöschen ist bei Kröner32 zu finden. Die Voraussetzung dafür ist, dass sich die turbulente Flammenstreckung grundsätzlich auf die laminare Flammenstreckung zurückführen lässt. Die lokale Anströmgeschwindigkeit u der turbulenten Flammenfront entspricht der laminaren 31
Bosse, P., Davies, M., Klocke, T.: Beschichtete Flammendurchschlagsicherungen und Ventile für Problemprodukte der chemischen und pharmazeutischen Industrie. Publikation Braunschweiger Flammenfilter GmbH (PROTEGO). 32 Kröner, M.: Einfluss lokaler Löschvorgänge auf den Flammenrückschlag durch verbrennungsinduziertes Wirbelaufplatzen. Dissertation, München, 2003
758
Flammengeschwindigkeit SL, worauf das bereits vorgestellte Flamelet- Modell beruht. Eines der Ziele der Modelle für turbulente Flammen ist die Vorhersage der mittleren Verbrennungsgeschwindigkeit. Den Fortschritt einer turbulenten VormischFlammenfront versucht man, durch die turbulente Flammengeschwindigkeit ST zu beschreiben. Aus dem bereits genannten Ansatz ρ u S T AT = ρ u S L AL
(20)
ist eine Berechnung der Oberfläche der turbulenten Flammenfront möglich. Bei Auftreten eines zu großen Turbulenzgrades trägt sie zum Effekt der Flammenlöschung bei. Bei zunehmender Turbulenzintensität v’ beobachtet man ein Maximum der turbulenten Flammengeschwindigkeit ST, wie Abbildung 4, links, zeigt:
Abbildung 4 Links: Abhängigkeit der turbulenten Flammengeschwindigkeit von der Turbulenzintensität am Beispiel eines Propan- Luft- Gemisches (gestrichelter Bereich: Verlöschbereich) 33 Rechts: Experimentell bestimmte turbulente Flammengeschwindigkeiten als Funktion des RMS- Wertes bis zum turbulenten Flammenlöschen34 Eine Erklärung für dieses Verhalten erhält man, wenn man auf das Flamelet- Modell zurückgreift und eine Löschung durch eine genügend große Streckung der Flamme erhält. Deshalb ist der Analogieschluss auf das Löschverhalten von turbulenten Flammen möglich. Eines der herausragendsten Merkmale der Turbulenz ist die Vermischung. Mit zunehmender Turbulenz nehme die Konzentrationsgradienten und somit die Diffusionsprozesse zu. Dies führt soweit, dass die chemische Reaktion die 33
Warnatz, J:, Maas, U., Dibble, R.W.: Verbrennung, 2001, S. 228 Abdel–Gayed, Bradley et al.: Lewis-Number Effekts on Turbulent Burning Velocity. 20th Symposium on Combustion, 1984. S. 502-512
34
759
Produkte und somit die freizusetzende Reaktionswärme nicht mehr so schnell nachliefern kann, wie sie sich durch die Diffusion vermischt werden. Die Temperatur sinkt folglich und erniedrigt zusätzlich die Reaktionsgeschwindigkeit. Die Temperatur im Messvolumen würde stetig weitersinken. Ab einer gewissen Temperatur, die auch von den reaktionstechnischen Randbedingungen abhängt, ganz sicher aber bei Unterschreiten der Zündtemperatur, kommt es zum Verlöschen der Flamme. Warnatz et al. geben die Temperatur, ab der ein plötzliches Verlöschen auftritt, für Flammen des Propan- Luft- Gemisches mit etwas 1700 K an. Die Zeit für das Verlöschen soll nur Bruchteile von Millisekunden betragen. Kröner stellte den Einfluss des turbulenten Flammenlöschens auf die turbulente Flammengeschwindigkeit dar. Publizierte experimentelle Ergebnisse zeigen eine proportionale Abhängigkeit der turbulenten Flammengeschwindigkeit von dem Schwankungswert der Strömungsgeschwindigkeit u'rms. Messungen von Abdel Gayed et al. bestätigen dies, allerdings nur für geringe Turbulenzgrade (siehe Abbildung 4, rechts)35. Mit wachsendem rms- Wert u'rms und sinkender Damköhler–Zahl wird der Anstieg der turbulenten Flammengeschwindigkeit schwächer, bis ein gemischspezifisches Maximum erreicht ist. Es wird vorausgesetzt, dass das integrale Längenmaß L konstant bleibt. Mit weiter steigenden Turbulenzgraden sinkt die turbulente Flammengeschwindigkeit wieder bis hin zum vollständigen Verlöschen der Flamme. Die chemische Reaktionsrate reicht in diesem Bereich nicht aus, dass innerhalb der Lebensdauer eines Wirbels genügend Wärme freigesetzt wird um das Gasgemisch über die Zündtemperatur zu erwärmen.36 Die dadurch induzierten konvektiven Wärmeverluste überwiegen lokal die in der Reaktionszone freigesetzte Energie, was anfangs zu örtlich begrenzten Löscheffekten führt, die zunächst den Effekt der Flammenbeschleunigung durch wachsendem u'rms dämpfen, und im weiteren Verlauf die Ausbildung einer Flammenfront vollständig verhindern. Man spricht in diesem Fall vom turbulenten Flammenlöschen. In der Literatur wird der Karlovitz–Streckungsfaktor verwendet, um ein Kriterium für das Flammenlöschen zu haben.37 Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Lewis–Zahl des Brennstoffs zur Bestimmung der turbulenten Löschgrenzen berücksichtigt werden muss. Dies deckt sich mit der Feststellung von Warnatz et al., wonach turbulente vorgemischte Flammen sehr empfindlich gegenüber Lewis-Zahl bedingten Instabilitäten sind.38 Den allgemeinen Ansatz K *·Len = C zugrunde gelegt, ergeben sich für die 35
Abdel- Gayed, R.G., Bradley, D., Hamid, M.N., Lawes, M.:Lewis Number Effects on Turbulent Burning Velicity. In: 20th Symposiumon Combustion, 1984, S. 213 ff 36 Kröner, M.: Einfluss lokaler Löschvorgänge auf den Flammenrückschlag durch verbrennungsinduziertes Wirbelaufplatzen. Dissertation, München, 2003, S.40
Abdel–Gayed, Bradley et al.: Lewis-Number Effekts on Turbulent Burning Velocity. 20th Symposium on Combustion, 1984. S. 502-512 38
Warnatz, J:, Maas, U., Dibble, R.W.: Verbrennung, 2001, S. 230
760
Löschgrenze turbulenter Flammen mit ReT > 300 die Werte n = 1 und C = 1,5. Daraus folgt K·* Le = 1,5.39 Der Einfluss des turbulenten Flammenlöschens auf die turbulente Flammengeschwindigkeit in einem ST / SL - u' rms / SL – Diagramm ist ebenso bei Kröner zu finden (siehe Abbildung 5). Es zeigt für Ka * Le = 0,14 den linearen Anstieg der turbulenten Flammengeschwindigkeit, während sich für Ka * Le = 0,30 und für Ka * Le = 1,0 dämpfende Auswirkungen des turbulenten Flammenlöschens ergeben. Bei Werten von Ka * Le > 1,5 kommt es zu einem vollständigen Löschen der Flamme. Abbildung 5: Normierte turbulente Flammengeschwindigkeiten ST / SL als Funktion von u’rms / SL für unterschiedliche Ka*Le40
7. Zusammenfassung
In diesem Vortrag wurde die Herangehensweise zur Lösung des Problems des Verlöschens von turbulenten Flammen aus strömungsmechanischer Sicht und anhand von chemischen Zeitmaßen erläutert. Dies ist, neben thermodynamischen Betrachtungen und reinen empirischen Ansätzen zur Ermittlung der kritischen Spaltweite wie durch Grossel veröffentlicht41, eine in der jüngsten Zeit, aufgrund der enormen Entwicklungen der Rechentechnik und folglich der CFD- Anwendungen, möglich geworden und eine unmittelbar mit der Erforschung der Phänomene der Turbulenz verbundene Herangehensweise zur Erklärung von verbrennungstechnischen Phänomenen. Der Vergleich charakteristischer Zeitmaße physikalischer Vorgänge bietet die Möglichkeit, Wechselwirkungen von Verbrennungsreaktionen abzuschätzen. Alle Prozesse, die in einer ähnlichen Zeitskala ablaufen, beeinflussen sich gegenseitig und Prozesse, deren Zeitskalen weit auseinander liegen, verlaufen weitestgehend unabhängig voneinander. Die Damköhler–Zahl, die Karlovitz–Zahl und der 39
Kröner, M.: Einfluss lokaler Löschvorgänge auf den Flammenrückschlag durch verbrennungsinduziertes Wirbelaufplatzen. Dissertation, München, 2003, S.41 40 Kröner, M.: Einfluss lokaler Löschvorgänge auf den Flammenrückschlag durch verbrennungsinduziertes Wirbelaufplatzen. Dissertation, München, 2003, S.42 41 Grossel, S.S.: Deflagration and Detonation Flame Arresters, American Institute of Chemical Engineers, 2002
761
Karlovitz–Streckungsfaktor vergleichen ein chemisches Zeitmaß mit einem charakteristischen Zeitmaß für die turbulente Strömung, das auch als Lebensdauer der entsprechenden Wirbel gedeutet werden kann. Alle drei Kennzahlen unterscheiden sich durch die Verwendung unterschiedlicher turbulenter Längen- bzw. Zeitskalen. Der Zusammenhang besteht darin, dass Wechselwirkungen zwischen den zu betrachtenden turbulenten Strukturen in Form der verschieden skaligen Wirbel dann eine Reaktion beeinflussen, wenn deren Zeitmaße die gleiche Größenordnung aufweisen. Eine analytische Berechnung erfordert jedoch das Vorhandensein von experimentellen Daten wie die Schwankungsgeschwindigkeiten der Komponenten der Strömung. Für die analytische Berechnung der kritischen Spaltweiten in Flammendurchschlagssicherungen bedeutet dies, dass neben der thermodynamischen Herangehensweise die strömungsmechanischen Phänomene ebenso zu erfassen sind. Dieser Vortrag soll zeigen, welche strömungsmechanische Effekte auftreten, wie sie wirken und wie sie mathematisch berücksichtigt werden können. Weiterhin wird auf deren Grundlage erstmalig das turbulente Flammenlöschen als eine mitwirkende Ursache für das Quenchen der Flammen in statischen Flammensperren vorgestellt.
762
Požiare v energetických podnikoch a ich štatistika Ing. Ľubica ŠOVČÍKOVÁ Fakulta špeciálneho inžinierstva, ŽU Žilina Katedra požiarneho inžinierstva ul. 1 mája 32, 010 26 Žilina email:
[email protected] Ing. Iveta MITTEROVÁ Drevárska fakulta Katedra protipožiarnej ochrany vo Zvolene ul. T. G. Masaryka 2117/24, 960 53 Zvolen email:
[email protected] Kľúčové slová:
energetický podnik, požiare, požiarne nebezpečenstvo Abstrakt :
Článok rozoberá problematiku požiarneho nebezpečenstva v slovenských energetických podnikoch. Štatisticky sleduje počet vzniknutých požiarov v rokoch 2001-2005 podľa miesta a príčiny vzniku požiaru. ÚVOD
V dnešnom modernom svete je zabezpečenie elektrickej energie a tepla jednou z najdôležitejších priorít našej spoločnosti. Každý z nás už zažil pocit, keď sa zrazu ocitol v neosvetlenom prostredí. Elektrina je veľmi dôležitou súčasťou nášho života a bez nej by sme si možno nevedeli predstaviť život. Potrebujeme ju dennodenne v našich domácnostiach, v zamestnaní. Elektrina nám zabezpečuje svetlo, teplo, fungovanie prístrojov, ktoré používame pri svojej činnosti. Elektrina je pre nás dôležitá tak v noci ako i cez deň. Činnosť a funkcia tepelných elektrární je v rámci elektrizačnej sústavy SR významná, predstavujú významné zdroje pracujúce v základnom zaťažení alebo v pološpičkovom režime. V roku 2005 bolo v tepelných elektrárňach vyrobených 4 260,8 GWh z celkového množstva 25 575,4 GWh elektrickej energie vyrobenej v SE, a.s. Celkový inštalovaný výkon tepelných elektrární je 1842,4 MW, čo predstavuje 26,77 % potenciálu zdrojov. V Slovenskej republike máme dve najvýznamnejšie tepelné elektrárne Nováky a Vojany [1].
763
POŽIARE V ENERGETICKÝCH PODNIKOCH
I keď energetický priemysel nezastáva významné miesto v štatistikách požiarov, ochrana výrobných procesov a najmä zamestnancov je aktuálna z dôvodov každoročne sa vyskytujúcich požiarov v tomto priemyselnom odvetí. Tabuľka 1 Výška škôd pri požiaroch od roku 2000 [1] Rok 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Škody celkom v Sk 575 000,2 167 838,57 000,160 860,16 937,7 900,4 800,-
Vzniku požiaru v týchto podnikoch je možno predísť len likvidáciou, obmedzením iniciátorov, či navrhovaním bezpečnostných opatrení už pri vytváraní projektovej dokumentácie protipožiarnej bezpečnosti stavieb. Nasledovné štatistické vyhodnotenie bolo realizované na základe informácií a materiálov získaných z Požiarno-technického a expertízneho ústavu v Bratislave. Zamerali sme sa na miesta a príčiny vzniku požiarov v energetických podnikoch na území Slovenskej republiky v rokoch 2001-2005 [2]. Tabuľka 2 Počet vzniknutých požiarov v rokoch 2001-2005 podľa miesta vzniku [2] Názov miesta vzniku požiaru
Veža stožiar Bližšie neurčené miesto v prírodnom prostredí Elektrická rozvodňa Trafostanica Káblový kanál Meniareň Generátor Priestor so vzduchotechnickým zariadením Iné priestory Spolu
764
Počet požiarov v rokoch 2001-2005 102 88
59 53 6 4 3 2 4 321
Tabuľka 3 Počet vzniknutých požiarov rokoch 2001-2005 podľa príčiny vzniku požiaru [2] Príčina vzniku požiaru
Elektrický skrat Zvýšený elektrický prechodový odpor Prevádzkovo technické poruchy Opotrebenie a starnutie materiálu alebo zariadenia Vypaľovanie trávy a suchých porastov Preťaženie elektrickým prúdom Nezistená Blesk – objekt nechránený bleskozvodom Blesk – objekt chránený bleskozvodom Zvýšené prehriatie Porušenie tesnosti spoja, upchávky a pod. Fajčenie Iná nedbalosť a neopatrnosť dospelých Manipulácia s otvoreným ohňom Technická porucha vykurovacieho telesa Úmyselná zapálenie neznámou osobou Zakladanie ohňov v prírode Spolu
Počet požiarov v rokoch 2001-2005 205 31 19 11
10 8 8 7 6 4 3 2 2 2 1 1 1 321
V tabuľke 3 môžeme vidieť, že z celkového počtu 321 požiarov bol v 205 prípadoch príčinou požiarov elektrický skrat. Ten môžeme na základe tohto výsledku považovať za najčastejší činiteľ vzniknutých požiarov vo výrobe a rozvode elektrickej energie na území Slovenskej republiky. Za druhú najčastejšiu príčinu požiarov vo výrobe a rozvode elektrickej energie môžeme považovať zvýšený elektrický prechodový odpor. Zvýšený elektrický prechodový odpor bol príčinou vzniku požiarov 31 krát a to tvorí 9,66 % z celkového počtu požiarov. Za jednu z častých príčin požiarov môžeme považovať tiež prevádzkovo – technické poruchy. Tieto poruchy boli príčinou vzniku požiarov 19 krát z celkového počtu požiarov. Opotrebenie a starnutie materiálu alebo zariadenia môžeme taktiež pokladať za jednu z častých príčin požiarov v energetike. PRÍČINY VZNIKU POŽIARU V TEPELNEJ ELEKTRÁRNI
Podľa štatistických údajov, ktoré sú popísané v kapitole 2 môžeme jednoznačne určiť, že najčastejšou príčinou požiarov vzniknutých v tepelnej elektrárni je elektrický skrat, zvýšený elektrický prechodový odpor a prevádzkovo – technické poruchy.
765
Nebezpečenstvo od elektrických zariadení a prístrojov
V každom elektrickom zariadení, alebo rozvode je potrebné počítať nielen s normálnymi prevádzkovými stavmi, ale aj s poruchami. Takýmito poruchami sú preťaženia, prechodový odpor a elektrický skrat. Preťažovanie elektrických vodičov a káblov
Každý elektrický vodič je dimenzovaný na určité prúdové napätie. Pri prekročení tejto hodnoty, ktorá je vypočítaná vzhľadom na príkon pripojených elektrických zariadení v obvode, dochádza k prehrievaniu vodičov alebo káblov. Prehrievanie je závislé najmä od veľkosti prúdu v obvode (zaťaženie) a od doby počas ktorej zaťaženie alebo preťaženie trvá. Po dlhotrvajúcom preťažení môže dôjsť k takému zvýšeniu teploty, že sa vznieti izolácia, prípadne horľavé materiály v blízkosti vodiča. K preťažovaniu v praxi dochádza vtedy ak je zle naprojektovaná rozvodová sieť, zmení sa záťaž, zníži sa napätie v sieti. Zvýšené prechodové odpory v spojoch vodičov
Elektrické kontakty sú dôležitou súčasťou v elektrických sieťach, zariadeniach a prístrojoch, pričom od správnej funkčnosti týchto kontaktov závisí nielen normálna činnosť elektrických sietí, zariadení a prístrojov, ale aj celkový stav ich požiarnej bezpečnosti. Prehrievanie elektrických kontaktov, ktoré môžu byť príčinou vzniku požiaru, spôsobuje prúdový odpor v mieste spojenia, t. j. nedokonalosťou spojenia. Veľkosť prechodového odporu závisí od : • • • •
tlaku v spojovacom mieste, nerovnosti spojovacích plôch, plochy spoja, nevodivých nečistôt medzi kontaktnými plochami.
V mieste nedokonalého spoja (svorkovnice, zásuvky, spínače) sa zvyšuje teplota, často dochádza k iskreniu a opaľovaniu spojovaných miest. Prechodový odpor sa zvýši oxidáciou kontaktov. Množstvo tepla vznikajúce v kontaktnom spoji závisí od stavu a konštrukcie kontaktujúcich prvkov, pevnosti a stálosti spojenia kontaktov. Intenzívny vývin tepla v kontaktoch spôsobuje ohrev izolácie a častí zariadení z plastov. Nebezpečne zvýšený prechodový odpor sa dá zistiť meraním pri revízií elektrických zariadení. Prejavy iskrenia je možno zaregistrovať aj sluchom ako nepravidelný praskot [3].
766
Skraty v elektrických rozvodoch a zariadeniach
Skratom sa nazýva chybné spojenie medzi jednotlivými fázami elektrizačnej sústavy, prípadne medzi niektorou fázou a zemou, ak je sústava účinne uzemnená. Príčiny skratu sú rôzne. Najznámejšie je napríklad mechanické poškodenie izolácie vodičov, znečistenie izolátorov, neodborná montáž, zlé zapojenie, atď.. Účinky skratu sú dynamické, tepelné, vznik elektrického oblúka a výrazný pokles napätia v sieti. Z hľadiska možnosti vzniku požiaru je skrat veľmi nebezpečný jav a pozornosť pri revíznych a preventívnych prehliadkach sa musí venovať nielen stavu iskriacich zariadení, ale celkovému stavu elektrických rozvodov a zariadení. Elektrické vedenie
Elektrické vedenie môže byť uložené na povrchu stien, nosníkov a rôznych konštrukcií, alebo v trúbkach, kanáloch pod omietkou a zabudované v rôznych konštrukciách a zariadeniach. Z hľadiska požiarneho nebezpečenstva si zaslúžia väčšiu pozornosť vedenia na povrchu, lebo pri vzniku havarijných stavov a ich vznietení je väčšia pravdepodobnosť rozšírenia požiaru po povrchu vodičov. To však neznamená, že vedenie uložené v trubkách nemôže byť zdrojom zapálenia. Všeobecne spočíva požiarne nebezpečenstvo elektrických vedení v tom, že pri ich prevádzke sa môžu vytvoriť také zdroje zapálenia, ako elektrické iskry, oblúky, roztavené častice kovov, zohriate kontaktné spoje, zohriate jadrá vodičov, otvorený oheň horiacej izolácie a tiež schopnosť izolácií elektrických vodičov šíriť plameň. Požiarne nebezpečenstvo od prehriatia jadier vodičov spočíva v možnosti vznietenia sa izolácie a tiež horľavých konštrukcií nachádzajúcich sa v priamom kontakte s vedením. Lokálne prehriatie žíl vodičov vzniká pri elektrickom skrate v bode ich napojenia, ak sa pritom vytvorí kontakt so značným prechodovým odporom, čiže prípad nedokonalého skratu. Ak je hustota elektrického prúdu v bode spojenia značná, vzniká veľké množstvo tepla, čo vedie k rýchlemu ohrevu kontaktnej zóny. Ohrev môže spôsobiť tavenie vodičov v kontaktnej zóne a ich pretavenie. Dobu trvania takéhoto vývinu tepla v kontaktnej zóne určuje charakteristika elektrickej ochrany. Ak takýto skratový prúd je menší ako prúd, na ktorý je elektrická ochrana nastavená, potom môže dôjsť k taveniu žíl v bode spojenia. Ak je prúd väčší ako prúd elektrickej ochrany a čas, na ktorý je elektrická ochrana nastavená, je väčší ako čas na pretavenie žíl, je pretavenie nevyhnutné. Proces ohrevu žíl v kontaktnej zóne prebieha súčasne s procesom uvoľňovania tepla do okolitého prostredia a aj odvodom tepla žilami vodičov.
767
Rýchlosť vývinu tepla v kontaktnej zóne môže byť veľmi vysoká. Straty do okolia sú v porovnaní s vývinom tepla veľmi nízke. To spôsobuje akumuláciu tepla v kontaktnej zóne, preto je možné, že v priebehu veľmi krátkeho času sa vytvorí vysoká teplota blízka teplote tavenia kovu vodiča. Vzhľadom na dosiahnutú teplotu žíl v mieste spojenia treba očakávať vznietenie izolácie nachádzajúcej sa v blízkosti zóny skratového spojenia. Možnosť vznietenia izolácie v zóne skratu určuje čas trvania havarijného stavu a čas nevyhnutný pre pôsobenie na izoláciu a jej vznietenie. Pri pretavení žíl sa prejaví aj tepelný efekt elektrického oblúka. Celkový ohrev žíl vodičov spôsobuje priebežný skratový prúd alebo nadprúdy od preťaženia. Teplo vyvíjajúce sa v žilách spôsobuje zohrievanie izolácie nad povolenú teplotu a po dosiahnutí teploty vznietenia sa táto vznieti. Tepelný efekt pri skrate je určený hodnotou prúdu a časom jeho trvania. Pri priebežných skratových prúdoch k vznieteniu izolácií a káblových plášťov spravidla nedôjde, pretože teplota ohrevu jadier káblov nedosiahne hodnoty potrebné k ich vznieteniu. Tepelný efekt lokálnych skratov zahŕňa teplo vyvíjajúce sa v mieste skratu v súlade s Joule - Lencovým zákonom a tiež vznikajúce vytvárajúcim sa elektrickým oblúkom. Teplota oblúka dosahuje tisíce stupňov, preto aj pri jeho krátkom trvaní je veľká pravdepodobnosť vznietenia materiálov používaných na izoláciu a plášť káblov. Horenie kábla po prerušení elektrického skratu závisí od horľavosti kábla a tiež od okolitého prostredia. Samostatný kábel s plášťom z PVC v normálnych podmienkach neudrží a nerozširuje horenie. Avšak sústredenie takých káblov alebo zvýšenie teploty napríklad pri preťažení môže byť príčinou vzniku samo udržiavaného horenia po zapálení od vonkajšieho zdroja tepla, alebo tepelného efektu elektrického prúdu pri havarijných stavoch. Nedbalosť v pracovnom procese
Vznik požiarov v dôsledku nedbalosti v pracovnom procese má tieto príčiny : 1. Nedostatočné a nekompletné prevádzkové predpisy Nedostatočné a nekompletné prevádzkové predpisy sú obyčajne príčinou chybnej manipulácie a nedôsledného školenia pracovníkov. Prevádzkové predpisy sa musia pravidelne revidovať a mali by byť do nich zahrnuté najnovšie teoretické a praktické poznatky a upozornenia na možné chyby obsluhy. V prevádzkových predpisoch by malo byť aj uvedené, ako treba reagovať na vzniknutú poruchu alebo haváriu. 2. Nedôsledné teoretické a praktické školenie pracovníkov Tento nedostatok priamo súvisí s nedbalosťou v pracovnom procese. Pri podrobnom prieskume sa zistilo, že nesprávna manipulácia obsluhujúcimi
768
pracovníkmi bola väčšinou zapríčinená ich nedostatočným teoretickým a praktickým vyškolením. 3. Nedôsledne kontrolovaná a neodborne vykonávaná údržba Často sa zabúda na povinnosť oboznámiť osoby vykonávajúce údržbu so zariadením, technológiou a s tým súvisiacimi stavebnými konštrukciami. Vykonávaná práca sa kontroluje povrchne a výsledkom sú požiare vznikajúce bezprostredne po vykonanej oprave [3]. POŽIARNE NEBEZPEČENSTVO
Používanými druhmi v paliva v tepelnej elektrárni sú uhlie, mazut a plyn. Tepelnú elektráreň môžeme rozdeliť na dve časti. Do prvej časti zaraďujeme systém zauhľovania, dopravy uhlia dopravnými pásmi, mleciu linku a samotný kotol. Do druhej časti zaraďujeme celkové prepravu pary vzniknutej pri spaľovaní uhoľného prachu, chladiaci systém, parný rozvod a turbíny s turbogenerátorom. Jednotlivé nebezpečenstvá vznikajúce pri výrobe energie tu vidíme najmä v súvislosti s používaním jednotlivých druhov palív a olejov potrebných na prevádzku jednotlivých zariadení. Požiarne nebezpečenstvo prostredia strojovne
Požiarne nebezpečenstvo v strojovni predstavujú hlavne nasledovné horľavé látky a materiály : a) oleje, turbínové oleje (mazacie a chladiace), mazacie a regulačné oleje, b) vodík na chladenie alternátorov, c) plastické káblové izolácie, d)elektrické zariadenia (rozvádzače, akumulátorovne, káblové kanály a iné), e) druhotné (sekundárne) horľaviny (tiež tzv. zavlečené horľaviny). Požiarne nebezpečenstvo prostredia medzistrojovne, kotolne a dozorne
Požiarne nebezpečenstvo medzistrojovne, kotolne a dozorne predstavujú hlavne nasledovné horľavé látky a materiály : a) uhlie – antracitové uhlie v zásobníkoch a v kotolni, b) plastické izolácie elektrických káblov v medzistrojovni, v kotolni a v budove dozorne, c) elektrické zariadenia (transformátory, rozvádzače, akumulátorovne a iné.) d) propán-bután, e) mazut, f) druhotné (sekundárne) horľaviny (tiež tzv. zavlečené horľaviny) [1].
769
Požiarne nebezpečenstvo olejov
Hlavné požiarne nebezpečenstvo v strojovni predstavujú turbínové oleje spoločne s vodíkovým hospodárstvom. Verifikácia skutkového stavu lokalizácie potenciálnych iniciátorov a zdrojov požiaru však ukázala, že cca 80 % potenciálnych malých, stredných a veľkých iniciátorov a zdrojov požiaru v spoločnej strojovni predstavujú chladiace, mazacie a regulačné oleje. Sú používané pre účely mazania a chladenia, ale aj pre účely regulácie. Za potenciálne miesta únikov oleja môžeme ďalej označiť: • prírubové spoje olejových potrubí, • príruby a spojovacie manžety na olejových nádržiach, • miesta potenciálnych mechanických poškodení olejových častí pohonov čerpadiel a tiež elektrických motorov (prienik oleja do elektrických častí), • netesnosti na armatúrach olejových systémov, • miesta s potenciálnou možnosťou mechanického poškodenia prvkov olejového hospodárstva (olejové filtre, potrubie a separátory, ktoré sú lokalizované pri rotujúcich zariadeniach, atď.). Požiarne nebezpečenstvo vodíka
Požiarne nebezpečenstvo vodíka v strojovni je spojené s vodíkovým hospodárstvom situovaným priamo pod turbogenerátormi (každý turbogenerátor má svoje vodíkové hospodárstvo). Vodík sa používa na chladenie turbogenerátorov typu D-6590-12 nainštalovaných na blokoch. Požiarne nebezpečenstvo vodíka spočíva v tom, že pri koncentráciách od 4% do 77% so vzduchom tvorí výbušnú zmes. Z uvedeného dôvodu je potrebné venovať vodíkovému hospodárstvu mimoriadnu pozornosť, pretože aj drobné netesnosti v jeho uzavretom okruhu, alebo nečistoty môžu viesť k jeho zahoreniu, resp. výbuchu. Požiarne nebezpečenstvo propán-butánu
Pre spaľovanie v stabilizačných horákoch sa používa propán-bután v množstve približne 5 kg/hod, ktorý sa ku stabilizačným horákom dopravuje potrubným systémom. Napriek tomu, že sa jedná o malé množstvo plynu je nebezpečný preto, že jeho zmes so vzduchom je výbušná. Jeho výhrevnosť sa pohybuje od 40-50 MJ/kg a maximálny výbuchový tlak okolo 0,69-0,88 MPa. Priestory kotolne sú intenzívne odvetrávané a aj samotný prirodzený pohyb (prúdenie) vzduchu v kotolni je natoľko intenzívny, že nehrozí dosiahnutie jeho výbušnej koncentrácie [1].
770
Požiarne nebezpečenstvo mazutu
Pre samotný nábeh kotla a stabilizáciu horenia sú v spaľovacej komore každého kotla zabudované štyri mazutové horáky. Maximálna spotreba mazutu pre stabilizáciu horenia môže byť až 6500 kg/hod, avšak reálna spotreba je oveľa nižšia (2000 kg/hod). Mazut je najbežnejšie používané palivo (aj pomocné palivo) v tepelných elektrárňach. Všeobecne sa na neho zvyčajne vzťahujú požiadavky, aké sú uplatňované na horľavé kvapaliny III. triedy nebezpečnosti, avšak môžu byť na neho v závislosti od jeho čistoty uplatnené aj prísnejšie požiadavky. Vzhľadom k jeho vysokému bodu tuhnutia (okolo 40o C) je ho potrebné pri stáčaní, pri skladovaní a zvyčajne aj pri odbere nahrievať na teplotu 60-70oC, jeho výhrevnosť sa pohybuje okolo 40 MJ/kg [5]. Požiarne nebezpečenstvo ostatných horľavín
Medzi ostatné horľaviny, ktoré sa môžu vyskytovať v priestoroch hlavného výrobného objektu patria hlavne druhotné (sekundárne, tiež zavlečené) horľaviny, ktorých množstvá sú zvyčajne minimálne, avšak môžu predstavovať potenciálny iniciátor pre vznik požiaru materiálov tvoriacich náhodné požiarne zaťaženie. Medzi tieto horľaviny patria hlavne horľavé náterové hmoty (farby), odmasťovacie a čistiace prípravky, pomocné drevené konštrukcie, horľavé izolačné a tesniace hmoty, plastické materiály, nádoby na odpad a iné [1]. Požiarne nebezpečenstvo elektrických zariadení
Priestory elektrorozvodovní, dozorní, rozvodní, miestne elektrické panely, vypínače, ovládacie a kontrolné skrine a rozvádzače, vstupy, prechody a vývody elektrickej kabeláže z týchto zariadení, ako aj ďalšie vnútorné vybavenie týchto elektrických zariadení predstavujú potenciálne riziko pre vznik a šírenie sa požiaru. Iniciačné podmienky pre vznik požiaru v týchto zariadeniach sú splnené hlavne pri rôznych poruchových stavoch (elektrické skraty, studené spojenia, korózia materiálov, nedostatočné upevnenie a iné), ale aj ako dôsledok výrobných a iných (napr. mechanických) porúch materiálov. Hlavné požiarne nebezpečenstvo v týchto elektrických zariadeniach predstavujú hlavne horľavé plastické izolácie káblov, izolačné oleje a horľavé podkladové materiály. Mimoriadne rizikové z hľadiska možnosti poškodenia týchto zariadení sú PVC – izolácie, viď vyššie [1].
771
Požiarne nebezpečenstvo uhlia
Požiarne nebezpečenstvo uhlia a uhoľného prachu spočíva v jeho samovznietení, vo vznietení sa od iných zdrojov a možnosti výbuchu jemne rozptýleného prachu vo vzduchu. Samovznietenie je vznietenie, pri ktorom je zdrojom energie samozahrievanie horľavej látky. Podmienkou pre samozahrievanie, rovnako ako pre samovznietenie je, aby množstvo vzniknutého tepla bolo väčšie ako teplo odovzdávané do okolitého prostredia. Na samovznietenie majú vplyv najmä [15]:
oxidácia uhlia pri nízkych teplotách, absorpcia vzdušného kyslíka a iných plynov a pár uhlím, obsah kýzov (pohlcujú kyslík rýchlejšie ako uhlie), rozmery uhoľných častíc (u jemne rozomletého uhlia je nebezpečenstvo najväčšie), vlhkosť (pri oxidácií hnedého a čierneho uhlia sa uvoľňuje viacej tepla, ak je toto uhlie vlhké a nie vysušené), vek uhlia, teplota vzduchu, rozmer hromady alebo zásobníka, druh a chemické zloženie uhlia [4, 5].
ZÁVER
Článok je zameraný na posúdenie možných nebezpečenstiev a rizík vznikajúcich pri výrobe elektrickej energie. Znalosť podmienok procesu horenia má v oblasti ochrany pred požiarmi veľký význam, najmä z dôvodu, že pri nepredvídaných situáciách je možné predpokladať, ako sa budú jednotlivé materiály správať, a tým podstatne znížiť riziko vzniku, resp. ďalšieho šírenia požiaru. No iba, znalosť uhlia, ako potenciálneho zdroja požiaru, nestačí, pretože je mnoho ďalších horľavých materiálov a faktorov, následkom ktorých vznikajú malé, ale aj mnohonásobne väčšie napr. celopodnikové požiare. Požiarny technici, ktorí vypracúvajú dokumentáciu pre tepelné elektrárne by mali myslieť na všetky možnosti vzniku požiaru na pracovisku, v areály skladov a naliehať na majiteľov, aby dodržiavali všetky úlohy, ktoré im vyplývajú z právnych predpisov a noriem Slovenskej republiky. LITERATÚRA
[1] Materiály podniku Elektrárne Vojany. [2] Materiály získané v Bratislave, 2006.
z Požiarno-technického
772
a
expertízneho
ústavu
[3] MIKO, J. : Požiarna prevencia v technologických procesoch. 1990 [4] BALOG, K. : Samovznietenie. Ostrava: SPBI, 1999. s. 133, ISBN: 8086111-43-1 [5] MARIČ, M. : Posúdenie požiarneho nebezpečenstva v tepelnej elektrárni. Bakalárska práca. FŠI ŽU v Žiline, Detašované pracovisko Košice 2007.
Príspevok vznikol za podpory projektu : VEGA č. 1/3330/06 : „Kombinované riziká prírodné a technologické.“
773
An influence of wind screens on activation time of smoke removal system Dr Eng. Waldemar WNĘK Section of Technical Protection Systems Main School of Fire Service Poland, Warsaw e-mail:
[email protected] Introduction
Designing smoke removal system one thing should be considered concerning necessity of wind screen application protecting smoke detectors against an excessive influence of wind velocity on activation time of fire protection systems. After edition of ordinance [1] on Polish ground, the activation of smoke removal systems in fire zones equipped with fire detection system should be done by smoke detectors. Previous settlements gave possibility of system activated by equipment with thermal release which increased activation time of smoke removal systems. New establishment caused increasing interest of the influence of wind flow velocity in ventilation systems on smoke parameters. This is because of dependence of various parameters on flow velocity smoke-air mixture and activation time of fire detection systems. Considering dependence of the activation time of smoke detectors it can be stated that in case of fast flows a construction of detectors also influences on these issues. Research works on the effect of flow velocity on smoke parameters, conducted in the Main School of Fire Service in Warsaw, made some conclusion remarks which can be very helpful for designers of fire detection systems. Wind screens
New European standard [2] does not precise any conditions on which air flow velocities the wind screen is required. It means that could be installed at any circumstances. Wind screen decreases an influence of air flow on smoke detection. Every wind screen was designed considering particular parameters which means that decrease of air flow by detectors inside can be even 10 times. It is depended on the minimum quantity of provided wind screen. Unfortunately, designers often forget about it during preparedness of smoke removal systems. Figure 1 shows the application of wind screen on pipeline of smoke removal system.
774
Figure 1. Example of wind screen application on pipeline of smoke removal system. A construction of wind screen is based on plastic or metal box equipped with two tubes in which smoke-air mixture can flow through. According to European standard [2] smoke detectors or their probes should be installed on the straight section of ventilation channel at distance at least 3 times of channel width from the nearest direction change, elbow or connection point (see Figure 2).
Figure 2. Location of smoke detector in ventillation channel [2]. (1-direction of air flow, 2-detector’s probe, 3-channel width, 4-minium installation distance) Such requirement is important in case of air flux distortions which influence on smoke parameters (e.g. smoke concentration near tubes of wind screen). There are also other systems available which decrease an influence of distortions by air suction in ventillation channels. Testing stand
To test an influence of flow velocity of smoke-air mixture in ventillation ducts on activation time of smoke detectors in some wind screen, the Main School of Fire Service in Warsaw has created special testing tunnel equipped with combustion chamber. A construction of testing stand is shown on Picture 1. 775
In combustion chamber with dimensions of 1,2 x 1,2 x 1,2 m flammable material is burning either with flame occurring (given by particular quantity of o alcohol) or flameless (thermal decomposition on heating plate of 500 C and 2 kW of heating power). Combustion products are drawn into the tunnel by air flow. The regulation of air flow velocity is also available from 0,1 m/s to 7 m/s. Air into combustion chamber is provided by the hole near the inlet of testing tunnel. Such location of inlet with flux leveler has to protect against the influence of air flow on combustion process. Air flow raises smoke particles through the testing tunnel with dimensions of 0,4 m x 0,4 m where smoke detectors are located with testing equipment. Testing equipment consists of densitometer providing the measurement of smoke optical density D1, ionization chamber providing the measurement of relative change of ionization current y and IPS meter for the measurement of number and size of smoke particles. To provide proper protection level of testing equipment there is a continuous measurement of air temperature inside the tunnel. All records are registered by computer software with frequency of 1 Hz per second.
Picture 1. General view of testing tunnel with equipment. a) measuring part of tunnel, smoke parameters measuring instrument, For this study smoke detectors and wind screens of POLON ALFA company were chosen, provided with proper certificates of Scientific and Research Centre of Fire Protection in Poland. Determination of activation times of smoke detectors with wind screens
Selected parameters of tested materials are shown in Table 1. Selection of such materials was dictated by the fact that wood is the most often material in fires (furniture, storage racks, etc.) and polyurethane foam because it the easiest
776
combustible material during the fire from thermal radiation (typical plastic material). Table 1. Selected parameters of tested materials.
10 samples 100 mm×100 mm×20 mm 3 samples 25 mm×80 mm× 20 mm
Polyurethane foam 3 samples 200 mm×200 mm×20 mm 1 sample 100 mm×100 mm 20 mm
330
40
71
3
4-5%
–
–
15
Parameters
Oak wood
Sample dimensions for flame occurring combustion Sample dimensions for flameless combustion Sample weight – flame occurring combustion [g] Sample weight – flameless combustion [g] Wood moisture Density of polyurethane foam [kg/m3]
During the experiment a velocity of mass loss of particular materials was determined, including material location during combustion process for the establishment of smoke density in testing tunnel. The mass loss of samples influences on optical density of smoke flowing through the testing tunnel. Considering the mass loss of samples, flow velocity of smoke-air mixtures and tunnel dimensions, a correlation between smoke density and flow velocity was established (see Figure 3). 8 7
s bp
-0,9996
s bd
s bp = 1,1376v R2 = 1
6 s [g/m3]
s pd = 1,5125v-0,9999 R2 = 1
5
s pp s pd
-1,0001
s pp = 0,785v R2 = 1
4 3
Potęg. (s pd) -1,0026
Potęg. (s bp)
s bd = 0,1226v R2 = 0,9999
2 1
Potęg. (s pp) Potęg. (s bd)
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
v [m/s]
Figure 3. A correlation between smoke density s and flow velocity of smoke-air mixture.
777
Picture 2 shows the way of combustion process during this experiment. The smoke amount during flame occurring and flameless combustion processes should be noticed, also including particular materials. a.
b.
Picture 2. Flame occurring combustion of oak wood (a) and polyurethane foam (b). In case of flameless combustion the smoke amount for humans is residual, but for flameless combustion with the same conditions large amount of smoke was observed, especially in case of combustion process of polyurethane foam.
0,7 0,6 0,5 0,4
2
b. m opt
0,3 0,2 0,1 0
1,5 y[]
a.
m [dB/m]
The main parameter in case of flame occurring combustion is the relative change of ionization current y which means that the better smoke detector is ionization detector and in case of flameless combustion – optical density of smoke m. In the second case the better detector is optical one. The results were shown on Figure 4.
m osłona
Y jon pd
1
m opt Y jon w osł
0,5 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0 1 2 3 4 5 6 7 8
v [m /s]
v [m /s]
Figure 4. Results of sensitivity measurement of smoke detectors for flameless combustion (a) and flame occurring combustion (b) of oak wood. These figure show a correlation between the sensitivity of the same detectors with wind screen and without wind screen. In every case detectors without wind screen were activated previously. In case of wind screen application the detector activates at proper flow velocity. In this study flow velocity was ca. 3 m/s. In case of flameless combustion detectors provide an increase of sensitivity either with or without wind screen. For flame occurring
778
combustion such increase was noticed for selected flow velocities. It is because of properties of ionization chamber. It should be noticed that for two types of combustion process there was not any activation of optical detector for flame occurring combustion and ionization detector for flameless combustion. Comparing different types of detectors and their properties it is difficult to assess an effectiveness of particular detectors. So, activation time of protection system is the parameter which should assess the way of protection. 100
czas t [s]
80
t jon drew no - - -
60
t jon pianka - - -
40
topt drew no topt pianka
20 0 2
3
4
5 v[m /s]
6
7
8
Uw aga: spalanie płomieniow e - cz. jonizacyjne spalanie bezpłomieniow e - cz. optyczne
Figure 5. Correlation of activation times of smoke detectors on flow velocity of smoke-air mixture for different types of flammable materials (including wind screen application). Figure 5 shows a correlation of activation time of smoke detectors on combustion process type and flammable materials for particular flow velocities of smoke-air mixture. A correlation between activation time and kind of flammable material can be observed. Shorter time of detector activation was noticed for combustion of oak wood than polyurethane foam. It is because of optical properties measured in further parts of experiment. Activation time decreases in two materials for flameless combustion comparable to flow velocity. For flame occurring combustion this time increases in case of higher flow velocities. A behavior of smoke detectors should be investigated and also an influence on activation time with wind screen application.
779
60
60
50
50
t opty
30
t [s]
t [s]
40 t osłona
20
40
t jon pd
30
t opt t jon w osł
20
10 10
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 0
v [m/s]
1
2
3
4
5
6
7
8
v[m/s]
Figure 6. Correlation of detector sensitivity on type of combustion process and smoke detectors (combustion of oak wood). Figure 6 shows that detectors without wind screens were activated earlier. An activation time related to flow velocity is much more shorter for detectors without wind screens. In case of flameless combustion (t opty, t osłona) detector without wind screen has the same sensitivity, but for wind screen application this sensitivity increases. In case of flame occurring combustion with ionization detector the increase of flow velocity causes some effects related to correlation with y given in Figure 4. Sensitivity of detector increases and then decreases rapidly. Using wind screen for flow velocity of 5 m/s detector has higher sensitivity and then decreases. Conclusions
There is a need of application of wind screens in ventilation systems. During this process a determination of minimum flow velocity should be also done (difficulties of smoke penetration into wind screen) which means that technical protection system can not be activated. An application of wind screens in case of optical detectors decreases the sensitivity of detection system. For ionization detectors wind screen should be provided in case of improvement of system parameters. It is not caused by activation effect of ionization detectors with fast air flow. Present ionization smoke detectors are resistant for very fast air flows. This problem is quite complicated. In this study a protection of smoke detectors against pollutions was not considered. Detectors without wind screens are endangered on pollution agglomeration at some parts of detectors in side ventilation ducts. But this is another scientific problem.
780
References:
[1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002r w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [Dz. U. Nr 75,poz.690]. [2] PKN-CEN/TS 54-14 Systemy sygnalizacji pożarowej. Cz. 14: Wytyczne planowania, projektowania, instalowania, odbioru, eksploatacji i konserwacji. [3] W. Wnęk, Detekcja pożaru w obecności wentylacji mechanicznej obiektów budowlanych, Konferencja naukowo-techniczna, TECHNIKA W ODDYMIANIU OBIEKTÓW BUDOWLANYCH, org. SGSP, PW, 25.01.05, Warszawa. [4] W. Wnęk Wpływ parametrów lotnych produktów spalania na ich wykrywalność w instalacjach wentylacyjnych, V Międzynarodowa Konferencja BEZPIECZEŃSTWO POŻAROWE BUDOWLI, 14-16 listopada 2005, Warszawa-Miedzeszyn.
781
Stanovenie horľavosti metódou kyslíkového čísla pre vybraté celulózové produkty Ing. Iveta CONEVA Katedra požiarneho inžinierstva Fakulty špeciálneho inžinierstva Žilinskej univerzity v Žiline ul. 1. mája 32, 010 26 Žilina tel.: 00421/41/5136799, fax:00421/41/7234972 e-mail:
[email protected] Kľúčové slová horľavosť, kyslíkové číslo, zberový papier, tissue výrobok, celulózové produkty Abstrakt Vzniku požiaru v technológiách, konkrétne pri výrobe celulózových produktov je možné predchádzať návrhom a realizáciou efektívnych preventívnych a protipožiarnych opatrení. Na ich realizáciu sú potrebné znalosti v oblasti požiarno-technických charakteristík vstupných surovín, medziproduktov, pomocných látok a výstupných produktov. Úvod Papierenské tissue výrobky napr: toaletný papier, kuchynské utierky a hygienické vreckovky sú horľavé, prírodné polymérne látky na báze celulózy. Tieto materiály sú zaradené do triedy požiarov A, ide o požiare tuhých pevných látok organického pôvodu, pri horení ktorých sa spravidla vytvára žeravý zvyšok [1]. Prítomnosť celulózových materiálov a tissue výrobkov významne ovplyvňuje priebeh horenia, požiaru. Vzniku požiaru je možné predchádzať na základe poznania požiarno-technických charakteristík tissue výrobkov. Nakoľko v odbornej literatúre nie sú známe hodnoty požiarnotechnických charakteristík tissue výrobkov, je dôležité ich experimentálne namerať, porovnať a vyvodiť závery, ktoré je možné aplikovať do odbornej teórie a praxe. Pre celulózové materiály je možné namerať nasledovné požiarnotechnické charakteristiky: kyslíkové číslo [2, 3], spalné teplo [4], teplota vznietenia [5], bod vzplanutia [5] a získať hodnoty metódami termickej analýzy: TG – metódou termogravimetrie [6] a DSC – metódou diferenčnej snímacej kalorimetrie [7]. Namerané hodnoty poslúžia na porovnanie a zhodnotenie možnosti vzniku požiaru v technológií výroby tissue produktov so zameraním sa na proces bielenia dvoma rozdielnymi metódami - peroxidovou a enzymatickou. Taktiež sa môže porovnať vplyv použitého bieliaceho prostriedku - peroxidu 782
vodíka a enzýmu na horľavosť konečných tissue produktov, čo v konečnom dôsledku ovplyvňuje problematiku ochrany pred požiarmi v technologickom procese výroby tissue produktov. Charakteristiky materiálov budú namerané podľa skúšobných postupov rozpracovaných v príslušných normách [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]. Experimentálna časť Metóda kyslíkového čísla Stanovenia horľavosti plastov - polymérnych látok metódou kyslíkového čísla (OI - Oxygen Index) má široké uplatnenie pri sledovaní relatívnej horľavosti čistých a aj upravených retardérmi horenia materiálov. Kyslíkové číslo je definované ako najnižšia koncentrácia kyslíka v zmesi s dusíkom, vyjadrená objemovým podielom kyslíka zo 100 objemových dielov zmesi N2 a O2, pri ktorej skúmaná vzorka ešte horí za predpísaných podmienok skúšky. Čím je kyslíkové číslo nižšie, tým je materiál horľavejší. Táto vlastnosť charakterizuje schopnosť materiálu horieť i za zníženej koncentrácie kyslíka, hlavne pri rozvinutom požiari v objektoch, kde prívod vzduchu do priestoru je značne obmedzený [9, 10, 11, 12, 13]. Vzorec pre výpočet kyslíkového čísla je: OI =
V0 ⋅ 100 V0 + V N
[% obj.]
(1)
kde OI - koncentrácia kyslíka v objemových percentách [% obj.], V0 – objem kyslíka v objemových percentách [% obj.], VN – objem dusíka v objemových percentách [% obj.]. Metóda kyslíkového čísla je normalizovanou skúškou STN EN ISO 45891 a 2 : 2001 Plasty. Stanovenie horľavosti metódou kyslíkového čísla sa využíva vo väčšine priemyselne rozvinutých štátov, lebo pomerne s veľkou presnosťou kvantitatívne vyjadruje relatívnu horľavosť materiálov. Výsledné hodnoty kyslíkového čísla závisia od tvaru vzorky, polohy - orientácie (uhol vzhľadom na prúdenia plynov), od spôsobu zapaľovania a podmienok vykonania skúšky. Výsledky sú len orientačné, môžu sa odlišovať od správania sa materiálu pri podmienkach reálneho požiaru, preto pri vyhodnocovaní požiarneho nebezpečenstva je nevyhnutné zobrať do úvahy aj iné požiarno-technické charakteristiky. V tab. 1 sú uvedené kyslíkové čísla vybratých lignocelulózových materiálov.
783
Tabuľka 1 Kyslíkové čísla vybratých lignocelulózových materiálov [10] Materiál
Kyslíkové číslo IO - [ % obj. ] 18,5 20,8 22,2 25,0
Celulóza Papier Drevo borovicové Drevo bukové
Podstata skúšky a merania Proces horenia pri stanovení OI sa vyhodnocuje vizuálnym pozorovaním plameňa a šírenia plameňa v riadenej oxidačnej atmosfére. Na meranie sa použil prístroj Stanton Redcroft – modul FTA., ktorého schéma je na obr.1
Obr. 1 Schéma zariadenia na stanovenie horľavosti plastov metódou kyslíkového čísla [12] Vzorka sa zapaľovala na hornom konci nosiča t.j. vertikálne uloženie a sledovalo sa plameňové horenie šíriace sa proti smeru prúdenia okysličovadla, ktoré pretrváva najmenej 180 sekúnd alebo v dĺžke 50 mm pri skúšobných vzorkách I až IV a VI, resp. 80 mm pri skúšobnej vzorke typu V. Rýchlosť prúdenia plynov, ide o zmes kyslíka a dusíka je (40 ± 2) mm.s-1. K prístroju bola napojená kyslíková a dusíková fľaša. Ihlovým ventilom sa nastavovalo presné množstvo kyslíka a dusíka. Na hlavnom prietokomeri sa odčítalo množstvo koncentrácia kyslíka v zmesi s dusíkom, ktoré následne prechádzalo cez spaľovaciu trubicu. Vzorka sa umiestňovala do ohňovzdornej spaľovacej trubice do nosiča vzorky. Po otvorení prítokov plynov sa vzorka zapálila plynovým horákom a sledoval sa čas, za ktorý prehorí - doba horenia v [s]. Zariadenie na stanovenie OI súčasne umožňuje namerať lineárnu rýchlosť
784
šírenia sa plameňa po povrchu polymérnych materiálov - dĺžku obhorenej časti v mm a taktiež modelovať bez plameňový proces propagácie. Predmet skúšky – vzorky jednotlivých celulózových materiálov Predmetom skúšky sú vzorky uvedených celulózových materiálov: Vzorka A – zberový papier, vstupná surovina kvality skupiny C – lepšie druhy, je to biely novinový papier, časopisy a noviny s min. textom, išlo o kusy listov papiera a nastrihané pásiky bielej farby, potlačené minimom textu [14] Vzorka B - zberový papier, vstupná surovina kvality skupiny B - stredné druhy, sú to najmä časopisy a noviny, išlo o kusy listov papiera a nastrihané pásiky bielej až žltej farby, potlačené textom [14]. Vzorka C – tissue produkt, toaletný papier vyrobený z buničiny-celulózy vstupnej suroviny, ktorá nebola spracovaná bieliacim procesom (nepoužil sa peroxid vodíka ani enzým). Vzorka D – tissue produkt, toaletný papierový výrobok vyrobený zo zmesi zberových papierov ( C - 30 % + B – 70 %) vybielených za pomoci enzýmu (tab.2). Vzorka E - tissue produkt, toaletný papier vyrobený zo zmesi zberových papierov ( C - 30 % + B – 70 %) vybielených za pomoci peroxidu vodíka (tab.3). Tabuľka 2 Parametre tissue produktu - toaletného papiera vyrobeného s použitím enzýmu [15] Parametre jednovrstvového tissue papiera vyrobeného enzymatickým bielením Plošná hmotnosť v [g/m2 ] 49,5 Belosť podľa ISO v [%] 78 - 84 Tržné zaťaženie pozdĺž v [N/50 mm] min. 16,2 Tržné zaťaženie naprieč v [N/50 mm ] min. 6,0
V tabuľke 2 sú uvedené vybraté vlastnosti jednovrstvového polotovaru – tissue papiera vyrobeného metódou enzymatického bielenia, ktorý je vhodný na výrobu viacvrstvového toaletného papiera. Tabuľka 3 Parametre tissue produktu - toaletného papiera vyrobeného s použitím peroxidu vodíka [15] Parametre jednovrstvového tissue papiera vyrobeného peroxidovým bielením Plošná hmotnosť v [g/m2 ] 48,5 Belosť podľa ISO v [%] 78 - 84 Tržné zaťaženie pozdĺž [N/50 mm] min. 15, 9 Tržné zaťaženie naprieč [N/50 mm] min. 5,8
785
V tabuľke 3 sú uvedené vybraté vlastnosti jednovrstvového polotovaru – tissue papiera vyrobeného metódou bielenia s pomocou peroxidu vodíka, ktorý je vhodný na výrobu viacvrstvového toaletného papiera. Príprava skúšobných vzoriek, podmienky, spôsob skúšky a merania Príprava skúšobných vzoriek Skúšobné vzorky A, B boli upravené podľa normy [2, 3] na obdĺžnikový tvar typu III s rozmermi 100 x 10 mm, viď obr. 2 - úprava vzoriek A,B podľa normy pred samotným meraním a zároveň celkový pohľad na meraciu aparatúru “Kyslíkového čísla”. Úprava vzoriek A, B na tvar typu III - rozmery skúšobného telesa boli stanovené na základe tvaru a kvality materiálu - zberového papiera a jeho hrúbky, ktorá nepresahovala 10,5 mm .
Obr.2 Celkový pohľad na meraciu aparatúru „Kyslíkového čísla “[Coneva, 2005] Skúšobné vzorky C, E boli upravené podľa normy [2, 3] na zvitkovitý tvar typu VI s rozmermi v rozvinutom tvare 200 x 20 mm, viď obr.3 - úprava vzoriek C,E podľa normy pred samotným meraním. Úprava vzoriek C, E na tvar typu VI – rozmery skúšobného telesa boli stanovené na základe tvaru a kvality materiálu - toaletného papiera vyrobeného bez bieliaceho procesu a toaletného papiera vyrobeného s použitím peroxidu vodíka, ktorý bol tenký a bolo ho možné navinúť na tyč a jeho hrúbka sa pohybovala v intervale 0,02 mm až 0,10 mm.
786
Obr. 3 Úprava vzorky C a E pred meraním [Coneva, 2005] Skúšaná vzorka D bola upravená na obdĺžnikový tvar typu V s rozmermi 140 x 52 mm, viď obr. 4 - úprava vzorky D podľa normy pred samotným meraním. Úprava vzorky D na tvar typu III – rozmery skúšobného telesa, toaletného papiera vyrobeného za pomoci enzýmu bola stanovená na základe tvaru a kvality materiálu a jeho hrúbky, ktorá nepresahovala 10,5 mm - išlo o ohybné tenké filmy, ktoré sa dali upraviť do obdĺžnikového tvaru.
Obr.4 Skúšobné zariadenie so vzorkou D pred meraním [Coneva, 2005] Podmienky skúšky merania “Kyslíkového čísla” boli nasledovné (tab.4): Tabuľka 4 Podmienky, pri ktorých prebiehali skúšky merania “Kyslíkového čísla” skúšaných vzoriek A, B, C, D, E [PTEÚ, Coneva, 2005] Skúšaná vzorka Vzorka A Vzorka B Vzorka C
Kondiciovanie ___________________________________ Vlhkosť v Čas v [hod] Teplota v [oC] vzduchu[%] 100 23 ± 2 50 ± 5 100 23 ± 2 50 ± 5 100 23 ± 2 50 ± 5
787
Teplota v skúšobnej miestnosti v [oC] 23 ± 1 23 ± 1 22 ± 1
Relatívna vlhkosť vzduchu v [%] 48 ± 5 48 ± 5 44 ± 5
Vzorka D Vzorka E
100 100
23 ± 2 23 ± 2
50 ± 5 50 ± 5
22 ± 1 22 ± 1
48 ± 5 50 ± 5
Spôsob skúšky a merania Zdrojom zapálenia bol plynový horák (podľa článku 5.5 normy [2, 3]) s použitým plynom propánom bez primiešaného vzduchu. Spôsob zapaľovania vzoriek A (typ III), C, E (typ VI) je metódou A a vzoriek B (typ III), D (typ V) je metódou B. Metódou A sa zapaľuje celá vrchná plocha horného konca vzoriek, ale plameň sa nesmie dotýkať vertikálnych - bočných hrán vzoriek. Metódou B sa zapaľuje vrchná plocha horného konca vzoriek a aj vertikálne plochy - bočné hrany vzoriek do hĺbky 6 mm. Metódu zapaľovania A je možné použiť na typ III, VI – vzorky sa označili vo vzdialenosti 50 mm od zapaľovaného konca - vrchnej plochy pre typ III, typ VI - zvitky na tyči sa neoznačujú. Metódu B je možné použiť na typ III a V , typ III musí byť označený vo vzdialenosti 10 mm a 60 mm od zapaľovaného konca a typ V musí byť označený vo vzdialenosti 20 mm a 100 mm od zapaľovaného konca. Počet vzoriek pre experimenty : 20 kusov z každej vzorky Postup skúšky: Vzorka sa zapálila na hornom konci a sledovalo sa jej plamenné horenie šíriace sa proti smeru prúdenia okysličovadla. Doba skúšky pretrváva najmenej 180 sekúnd. Koncentrácia kyslíka v zmesi s dusíkom sa určila pomocou prietokomerov. Namerané hodnoty - výsledky skúšky a diskusia Namerané hodnoty získané predpísanou normovanou skúškou sú uvedené v tab. 5 a znázornené na obr. 5. Tabuľka 5 Namerané hodnoty skúšobných vzoriek vybratých celulózových materiálov [PTEÚ, Coneva, 2005] Materiál Vzorka A (zberový papier) Vzorka B (zberový papier) Vzorka C (toaletný papier – bez bielenia) Vzorka D (toaletný papier – enzým) Vzorka E (toaletný papier-peroxid)
Kyslíkové číslo - OI [% obj.] 19,7 ± 0,3 18,8 ± 0,5 18,3 ± 0,3 18,1 ± 0,3 17,7 ± 0,3
788
Kyslíkové číslo kyslíkové číslo (%obj.)
20
19,7
19,5 19
18,8 18,3
18,5
18,1 17,7
18 17,5 17 16,5
Vzorka A Vzorka B Vzorka C Vzorka D Vzorka E vzorky materiálov
Obr. 5 Graf výsledných hodnôt kyslíkového čísla [Coneva, 2005] Metóda “Kyslíkového čísla” OI je v súčasnosti jedna z najdôležitejších základných skúšok laboratórneho stanovenia relatívnej horľavosti polymérnych materiálov. Koncentrácia kyslíka za normálnych podmienok pri požiari neprevyšuje 21 [% obj.], predpokladá sa, že látky, ktoré budú mať OI väčšie ako 21 [% obj.], nebudú horieť. Z výsledných nameraných hodnôt kyslíkového čísla - OI, ktoré boli spracované do tab.5 a obr.5 – grafu, môžem konštatovať, že najvyššiu hodnotu kyslíkového čísla má vzorka A : 19,7 [% obj.] - zberový papier - skupina C a najnižšiu hodnotu kyslíkového čísla má vzorka E :17,7 [% obj.] - toaletný papier, vyrobený peroxidovým bielením. Hodnoty kyslíkového čísla sú u všetkých vzoriek menšie ako 21[% obj.], na základe čoho usudzujem, že všetky vzorky sú horľavé. Vzorky A, B a to vzorka A: 19,7 [% obj.] - zberový papier - skupina C a vzorka B: 18,8 [% obj.] zberový papier - skupina B majú vyššie hodnoty kyslíkového čísla, pravdepodobne prítomnosť tlačiarenskej farby výrazne ovplyvnila ich hodnoty. Vzorka C: 18,3 [% obj.] - toaletný papier vyrobený bez bielenia má hodnotu kyslíkového čísla vyššiu ako vzorky D a E a to vzorka D: 18,1 [% obj.] toaletný papier vyrobený enzymatickým bielením a vzorka E: 17,7 [% obj.] toaletný papier, vyrobený peroxidovým bielením, pravdepodobne intenzívnejšie bieliace procesy znižujú hodnoty kyslíkového čísla – OI, zvyšujú horľavosť konečných tissue výrobkov. Vzorka D: 18,1 [% obj.] - toaletný papier vyrobený enzymatickým bielením má hodnotu kyslíkového čísla vyššiu ako vzorka E: 17,7 [% obj.] toaletný papier, vyrobený peroxidovým bielením, na základe čoho usudzujem, že použitie enzýmu ako bieliaceho prostriedku v porovnaní s peroxidom vodíka v procese výroby tissue produktov znižuje horľavosť konečných tissue výrobkov – konkrétne toaletného papiera. Cieľom už uskutočnených a ďalších rozpracovaných experimentov je 789
porovnať výsledky a určiť prípadné výhody enzymatického spôsobu bielenia surovín pred peroxidovým v papierenskom priemysle. Záver Tissue výrobky najmä: toaletný papier, hygienické vreckovky, kuchynské utierky a iné výrobky nachádzajú široké uplatnenie v našich domácnostiach. V súčasnosti si už bez nich nevieme ani predstaviť náš bežný život. Požiarne nebezpečenstvo technologických procesov je vylúčenie možnosti vzniku požiaru za normálneho prevádzkového stavu. V prípade neobvyklých prevádzkových stavov alebo havarijného stavu vylúčenie alebo vymedzenie možnosti vzniku požiaru na najnižšiu možnú mieru. Zníženie horľavosti konečných výrobkov prispieva k celkovému zvýšeniu ochrany pred požiarmi v technologickom procese výroby papierenských produktov sa zameraním sa na tissue výrobky. Vo výskumnej práci chcem skúmať vplyv jednotlivých bieliacich prostriedkov: peroxidu vodíka a enzýmu, bieliacich metód na horľavosť konečných tissue produktov a s tým súvisiacu vhodnosť zámeny bieliaceho prostriedku. Literatúra [1] STN EN 2:1997: Triedy požiarov.1997 [2] STN EN ISO 4589-1:2001, Plasty. Stanovenie horľavosti metódou kyslíkového Čísla - Časť 1:Návod.2001 [3] STN EN ISO 4589-2:2001, Plasty. Stanovenie horľavosti metódou kyslíkového Čísla - Časť 2: Skúška pri teplote okolia.2001 [4] STN ISO 1928:2003, Tuhé minerálne palivá. Stanovenie spalného tepla.2003 [5] STN ISO 871:1999, Plasty. Stanovenie zápalnosti v teplovzdušnej peci.1999 [6] STN EN ISO 11358-1:2000, Plasty. Termigravimetria (TG) polymérov. Všeobecné princípy. 2000 [7] STN EN ISO 11357-1:2000, Plasty. Diferenčná snímacia kalorimetria (DSC). Časť 1. Všeobecné princípy. 2000 [8] STN ASTM E 537: 2002. Štandardná skúšobná metóda stanovenia tepelnej stability chemických látok metódami termickej analýzy.2002 [9] Balog, K., - Kvarčák, M., 1999: Dynamika požáru. In. SPBI Ostrava, Ostrava 1999. ISBN 80-86111-44-X [10] Košík,M. a kol.,1986: Polymérne materiály a ich ochrana. In.ALFA Bratislava. Bratislava 1986. 790
[11] Osvald, A.,1996: Hodnotenie požiarnej bezpečnosti materiálov a výrobkov z dreva a na báze dreva. In.TU Zvolen. Zvolen 1996 [12] Balog,K., Tureková, I.,1999: Limitné kyslíkové číslo a rýchlosť odhorievania celulózových materiálov. In. Vedecké práce MTF TU Trnava, Trnava 1999, zv.7, s.187-191 [13] Balog,K., Tureková, I., Soldánová,Z.,2001: Vplyv anorganických solí na proces horenia celulózy. In. Vedecké práce MTF TU Trnava, Trnava 2001, zv.10, s.15-20. ISBN 80-227-1648-0 [14] STN EN 643: 1999. Zberový papier.1999 [15] Informácie poskytnuté podnikom vyrábajúcim tisssue výrobky, 2005
791
Požární ochrana 2007 (sborník přednášek) Kolektiv autorů Za věcnou správnost jednotlivých příspěvků odpovídají autoři Nebyla provedena jazyková korektura Garant konference: Doc. Dr. Ing. Michail Šenovský Vydalo Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství v Ostravě 2007, jako svou publikaci Vytiskla Tiskárna Kleinwächter, Frýdek - Místek 1.vydání ISBN 978-80-7385-009-8
