Prezentace aplikace PowerPointuchi.vscht.cz/uploads/pedagogika/bezpecnostni... · 2015-11-04 · 4...

transcript

Bezpečnostní inženýrství- Požáry a exploze-

M. Jahoda

Rozdělení

Požáry

Podle oblasti

• uzavřené prostory

• otevřené prostory

Podle formy hoření

• homogenní (páry, plyny)

• heterogenní hoření (pevné látky)

Fáze požáru

Homogenní hoření

Formy hoření

kapalina

hořlavé páry vzduch

hořlavá směs

požár

iniciace

smísení

hořlavý plyn vzduch

hořlavá směs

požár

iniciace

smísení

Heterogenní hoření

tuhá látkadegradovaný

materiál

hořlavá

smísení

uhlíkatý

zbytek

tlení

žhnutí

vzduch

hořlavé páry

vzduch

požáriniciace

bezplamenné

hoření

Žíhavé plameny= rollover (flameover)

Požáry: uzavřené prostory

• V počáteční fázi požáru vzrůstá teplota v místnosti, teplota plamene je asi 500 °C.

• Větší množství zahřátých hořlavých plynů se hromadí u stropu místnosti a mísí se se vzdušným kyslíkem.

• Jestliže koncentrace hořlavých plynů dosáhne mezi hořlavosti, dojde ke vznícení a rychlému rozšíření požáru.

• Plameny se šíří velkou rychlostí pod stropem,dokud nevyhoří hořlavé plyny, nebo neklesne koncentrace kyslíku.

Celkové vzplanutí plynů v celém prostoru= flashover

• Celkové náhlé vzplanutí hořlavých

materiálů (rychlý přechod fáze rozhořívání

do plně rozvinutého požáru) najednou.

• Dostatečné množství kyslíku, vznikají

velké plameny, které způsobují turbulentní

proudění horkých plynů v místnosti.

• Teplota v celém prostoru se přiblíží hodnotám samovznícení

materiálů v místnosti (teploty cca 400-700°C pod stropem).

• Od okamžiku celkového vzplanutí je požár řízen ventilací, neboť

vlivem intenzivního hoření dochází k poklesu koncentrace kyslíku.

Explozivní hoření= backdraft

• Vznikne při náhlém přísunu kyslíku do uzavřené místnosti, která

obsahuje horké hořlavé plyny, ale již zde není plamenné hoření.

• Teplota v celém prostoru se přiblíží hodnotám samovznícení materiálů

v místnosti (teploty cca 500 °C pod stropem).

Pool Fire

Požáry: uzavřené/otevřené prostory

• hoření par kapaliny, která je ohraničena pevnými stěnami (zásobníky)

Spill Fire

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

BP oil spill, 2010

Spill Fire

BP oil spill, 2010

Spill Fire

BP oil spill, 2010

Fire Ball

• výsledek rychlého úniku a iniciace hořlavých plynů pod tlakem (např. zemní plyn)

12Tepelné charakteristiky

Rychlost uvolňování tepla (Heat Release Rate)

rozvoje

Ustálená fáze Fáze

dohořívání

𝑄𝑚𝑎𝑥

𝑄𝑝𝑟ů𝑚ě𝑟

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

• představuje energii uvolňovanou hořlavým materiálem za jednotku času• je základním parametrem pro určení intenzity hoření• je časově závislá• není jednoduchou materiálovou vlastností (experimentální zjištění)

kónický kalorimetr (pevné látky) radiometr úbytek materiálu

Stanovení rychlosti uvolňování tepla (pevné látky)

Experimentálně: kónický kalorimetr (zkušební metoda podle ISO/CD 5660-1) stanovení rychlosti uvolňování tepla z materiálů na základě sledování spotřeby

kyslíku a měření koncentrací oxidu uhličitého a uhelnatého

V kónickém kalorimetru je horizontálně umístěnkónický zářič, kdy intenzita toku sálavého tepla jeregulována do 50 kW/m2 s přesností ± 2 %. Vzorky sevkládají do speciálního držáku, který je umístěn podzářičem na vahách. Plynné zplodiny hoření se vzorkujíspaliny sazový filtr a vymrazovač vodní vlhkosti doanalyzátorů ke stanovení obsahu O2, CO a CO2. Dálese měří teplota spalin a tlaková diference na cloně.Vzorek materiálu se zapaluje elektrickou jiskroujiskřiště umístěného nad držákem vzorku. Data zanalyzátorů, termočlánků, clony a váhy se sbírají včase a ukládají v PC.

Stanovení rychlosti uvolňování tepla

Experimentálně: kónický kalorimetr (zkušební metoda podle ISO/CD 5660-1)

stechiometrický hmotnostní poměr

kyslík/palivo

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

Přibližné hodnoty uvolněného tepla – různé zdroje

Látka HRR, 𝑸

hořící cigareta 5 W

běžná žárovka 60 W

hořící svíčka 80 W

člověk při běžném pohybu 100 W

hořící papír v odpadkovém koši 100 kW

hořící kaluž benzínu, 1 m2 2.5 MW

dřevěné palety na skládané do výšky 3 m 7 MW

Tepelné charakteristiky - HRR

Experimentálně: např. vodou chlazený radiometr typ Schmidt-Boelter SBG01

Vliv tepelného záření na člověka

Intenzita tepelného tokuW m-2

Pocit člověka

60 – 100 vnímá teplo

200 – 600 pociťuje teplo

1 000 – 2 300 pociťuje horko

3 000 – 5 000 pociťuje bolest

Intenzita tepelného tokuW m-2

Doba působenís

do 550 neomezená

625 – 1 050 180 – 300

1 100 – 1 600 40 – 60

1 680 – 2 200 20 – 30

2 200 – 2 800 12 – 14

2 800 – 3 100 7 – 10

nad 3 500 2 – 5

Přenos tepla zářením

• tepelné záření = častý iniciátor požáru• přenos se uskutečňuje prostřednictvím elektromagnetického vlnění, které vzniká

v důsledku tepelného stavu těles• při dopadu na povrch jiných těles se mění část zářivé energie zpět na energii

tepelnou• energie vyzařovaná tělesy vzrůstá s jejich teplotou

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

jeho povrchu.

Intenzita toku tepla od plamene na stěnu

• Intenzita záření nesvítivého plamene = záření plynů

Efektivní emisivita stěny

povrch emisivita

černé těleso 1

čiré sklo 0,95

beton 0,87

omítka 0,85

ocel 0,70

pozink 0,35

leštěný hliník 0,10

leštěné zlato 0,03

• Intenzita záření svítivého plamene

plamen z látky emisivita, pl

antracit 0,45

mazut 0,85

dřevo, rašelina 0,70

benzín 0,96 – 0,99

Intenzita toku tepla od plamene na stěnu

• např. stavební konstrukce, aparáty, ...

ČSN EN 1991-1-2 uvádí různé přístupy pro

stanovení tepelného zatížení – normativní

přístup, který používá pro stanovení tepelného

zatížení nominální požár a přístup vycházející

z vlastností využívající fyzikální a chemické

parametry.

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

Výpočet rychlosti uvolňování tepla při hoření kapalin

• měřením hmotnostního úbytku

Tepelné charakteristiky - HRR

Vyjádření nedokonalosti spalování(např. tvorba sazí)= efektivní výhřevnost

alkoholy a většina hořlavých plynů 1 (málo sazí)

kapalné uhlovodíky 0,6 - 0,7 (hodně sazí/kouře)

22Hoření kapaliny v zásobníku (pool fire)

Entalpická bilance

qk – tok tepla prouděním, qr – tok tepla sáláním z plamene,qrr – tok tepla sáláním z povrchu hladinyTb – teplota varu kapalinyTf – teplota kapaliny

23Tepelné charakteristiky – kapaliny (zásobník)

Intenzita hmotnostního toku (kg m-2s-1)

Empirický vztah pro intenzitu hmot. toku*

(Burgessova-Strasserova-Grumerova metoda)

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

- výhřevnost, J kg-1

- měrná výparná entalpie, J kg-1

Tb – teplota varu kapaliny, KT - teplota okolí, K

hodnota empirické konstanty c• publikovaná* : 1,27·10-6 m s-1

Intenzita hmotnostního toku (kg m-2s-1)• experimenty

Průměr nádoby m

Převažující formasdílení tepla

do 0,05 konvekce, laminární tok

0,05 - 0,2 konvekce, turbulentní tok

více než 0,2 radiace, turbulentní tok

Experiment ÚCHI VŠCHT

Intenzita hmotnostního toku (kg m-2s-1)

Empirický vztah pro intenzitu hmot. toku*

(Zabetakisova-Burgessova metoda)- závislost na průměru plochy

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

Palivo 𝑚′∞

kg m-2 s-1

Hustotakg m-3

Konstanta kb, m-1

benzín 0,055 43 700 740 2,1

petrolej 0,039 43 200 820 3,5

nafta 0,044 44 400 918 100#

topný olej 0,035 39 700 940 – 1 000 1,7

DhC, eff

kJ kg-1

# odhad v případě, že hodnota není známá

Teplota plamene

Zdroj Teplota [°C]hořící zápalka 740 - 800hořící svíčka 650 - 950doutnající cigareta 228 - 750hořící papír 800 - 850rozžhavená elektrická spirála 980 - 1000plamen zapalovače 650 - 860žárovka 70 - 250

Látka Teplota [°C]rašelina, mazut 1 000dřevo, polystyren, nafta 1 100černé uhlí, kaučuk, benzín 1 200líh 1 218metan 1 875vodík 2 045acetylén 2 325

Výška plamene – otevřený prostor

Kapaliny

Pevné látky

Charakteristický rozměr

pro nekruhové plochy

Laboratorní měřítko

VŠCHT Praha

- měření hmotnostního úbytku hořlavé kapaliny

- teplota plamene a stěn nádoby

- výška plamene

Hoření heptanu o objemu 6,5 ml v misce

o průměru 48 mm.

Miska je umístěna na vahách, které jsou

odcloněny žáruvzdornou deskou

z keramických vláken.Měření teploty termokamerou a

bodovými termočlánky.

28Tepelné charakteristiky – experimenty

Malorozměrové měřítko

Technický útvar požární ochrany, Praha

- měření teploty v místnosti (norma ISO 9705)

- koncentrace plynných složek (O2, CO, CO2, NO…)

- rychlost proudění

Místnost 3 x 3.3 x 2.6 m s otevřenými dveřmi

• nešířící se požár kapaliny – heptan

• nešířící se požár plynu – propan butan

Tepelné charakteristiky – experimenty

Malorozměrové měřítko

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava

- měření teploty v místnosti (norma ISO 9705)

- rychlost proudění

• nešířící se požár kapaliny – heptan

• nešířící se požár plynu – propan butan

• nešířící se požár pevné látky - borové dřevo

Velkorozměrové měřítko

• šířící se požár obytných prostor – kuchyně a ložnice

- měření teploty v místnosti

ČVUT Praha, Metrostav, TUPO Praha

- měření teplotních profilů

- koncentrace plynných složek

- rychlost proudění plynů (šíření kouře, spalin)

• zkušební požár v tunelu Valík

Velkorozměrové měřítkoVŠB TU Ostrava, TUPO Praha, Rockwool

- koncentrace plynných složek

- rychlost proudění plynů, optická hustota kouře

- testování izolačních materiálů

• šířící se požár rodinného domu (Bohumín)

Velkorozměrové měřítkoČVUT Praha, TUPO Praha

- odolnost konstrukčních profilů

• šířící se požár administrativní budovy (Mokrsko)

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

Čínské požární výcvikové středisko, Chongqing Municipality

Požár kuchyně v bytě obytného domu.

Příčina: při smažení masa došlo ke

vznícení oleje.

Skutečnost ...

foto: HZS KHK

Požár dětského pokoje v sedmém patře

bytového domu.

Příčina: přenosný DVD přehrávač v režimu

nabíjení.foto: HZS MSK

K čemu slouží požární zkoušky?

Experimenty (požární zkoušky) 40

Co to znamená?Požár s přesně definovanými počátečními podmínkami = známým množstvím a druhem hořlavého materiálu a zápalné látky

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

Cílem je získat experimentální data pro porovnání s daty modelovými.

Matematické modely 41

= předpověď chování požáru (profily teploty, tlaku, koncentrace složek, ...)

na základě řešení rovnic popisující fyzikální a chemické děje při požáru

Pravděpodobnostní modely

• statistické

dvou-zónový model

„teplá“ vrstva

„studená“ vrstva

Deterministické modely

• zónové

• počítačová dynamika tekutin(CFD)

Matematické modely typu pole (CFD) 42

Řešíme soustavu rovnic metodou konečných objemů

Jak na to?

Steckler, K. D., Quintiere, J. G., Rinkinen, W. J., 1982. Flow induced by fire in a

compartment, NBSIR 82-2520, National Bureau of Standards, Center for Fire

Research, Washington, USA.

místnost: 2,8 x 2,8 x 2,18 m

hořák: 0,48 x 0,3 x 0,42 m

výkon: 62,9 kW

dveřní prostor: 0,1 x 0,74 x 1,83 m

1. geometrie

Steckler a kol.

Jak na to? Steckler a

volné stěny pevné stěny

vnější prostormístnost

hořák

1. geometrie

Jak na to?

Řešená oblast je rozdělena na konečný počet malých kontrolních objemů.

Základní rovnice (kontinuity, pohybové, energie, transportní, …), které popisují spojité

prostředí, jsou disktetizovány do soustavy algebraických rovnic.

Základní tvary buněk

čtyřstěn

šestistěn

jehlan(pyramida)

pětistěn(klín)

trojúhelník

čtyřúhelník

vysíťovaná geometie logické znázornění

2. řešení rovnic – výpočetní síť

mnohostěn

Jak na to?

výpočetní síť

Ukázka výpočetní sítě: nestrukturovaná síť (mnohostěny)

Jak na to?

2. řešení rovnic – nastavení řešiče

Řešiče:

OpenFOAM + FireFOAM

model turbulence

bilance hybnosti

transport hmoty

bilance energie

kinetika hoření radiace

produkce sazí

pyrolýza

odpařování

rovnice kontinuity

Modelování požáru

metodou CFD

proudění hoření

Fluent, CFX SMARTFIRE

Jak na to?

3. zpracování výsledků

Vizualizace plamene a spalin

(program NIST FDS).

Ustálené teplotní pole

(program Ansys Fluent).

• teplotní pole

• tlakové pole

• koncentrační pole

• rychlostní pole

• ...

Složitější geometrie

Požární zkouška – kuchyně.

Požární zkouška – rodinný dům.

Požár chemické laboratoře.

Osvěta – hasicí přístroje 50

vhodný nevhodný nesmí se použít!

Pevné hořlavé látkyHořlavé kapaliny mísící se s vodou

Elektrická zařízení pod proudem

Benzín, nafta, minerální oleje a tuky

Hořlavé plyny Lehké a hořlavé alkalické kovy

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

Papír, dřevo a další pevné hořlavé látky

Benzín, nafta, líh, ředidlo Elektrická zařízení pod proudem

Alkoholy Hořlavé plyny Lehké a hořlavé alkalické kovy

Cenné materiály (archivy)Látky prudce reagující s vodou (např. kyseliny)

Rostlinné a živočišné tuky a oleje

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

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

Osvěta – hasicí přístroje

Elektrická zařízení pod proudemPevné hořlavé látky typu dřeva, textil, uhlí

Lehké a hořlavé alkalické kovy

Hořlavé plyny Hořlavý prach

Hořlavé kapaliny Sypké látky

Jemná mechanika a elektronické zařízení

Sněhový Hasivo: CO2

Halotronový Hasivo: bromid, nebo tetrafluoridbrometan C2F4Br2

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

Elektrická zařízení pod proudem Dřevo, uhlí, textil Lehké a hořlavé alkalické kovy

Hořlavé plyny

Benzín, nafta, oleje

Pevné materiály

Počítače, televizory a další elektronika

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

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

Osvěta – hasicí přístroje 51

Prezentace aplikace PowerPointuchi.vscht.cz/uploads/pedagogika/bezpecnostni... · 2015-11-04 · 4...

Documents