Bezpečnostní inženýrství- Požáry a exploze-
M. Jahoda
2
Rozdělení
Požáry
Podle oblasti
• uzavřené prostory
• otevřené prostory
Podle formy hoření
• homogenní (páry, plyny)
• heterogenní hoření (pevné látky)
Fáze požáru
3
Homogenní hoření
Formy hoření
kapalina
hořlavé páry vzduch
hořlavá směs
požár
teplo
iniciace
smísení
hořlavý plyn vzduch
hořlavá směs
požár
iniciace
smísení
Heterogenní hoření
tuhá látkadegradovaný
materiál
hořlavá
směs
smísení
teplo
uhlíkatý
zbytek
tlení
žhnutí
teplo
vzduch
hořlavé páry
vzduch
požáriniciace
bezplamenné
hoření
4
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.
5
Celkové vzplanutí plynů v celém prostoru= flashover
Požáry: uzavřené prostory
• 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.
6
Explozivní hoření= backdraft
Požáry: uzavřené prostory
• 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).
7
Pool Fire
Požáry: uzavřené/otevřené prostory
• hoření par kapaliny, která je ohraničena pevnými stěnami (zásobníky)
8
Spill Fire
Požáry: uzavřené/otevřené prostory
• hoření par kapaliny, která není ohraničena pevnými stěnami (kaluže)
BP oil spill, 2010
9
Spill Fire
Požáry: uzavřené/otevřené prostory
• hoření par kapaliny, která není ohraničena pevnými stěnami (kaluže)
BP oil spill, 2010
10
Spill Fire
Požáry: uzavřené/otevřené prostory
• hoření par kapaliny, která není ohraničena pevnými stěnami (kaluže)
BP oil spill, 2010
11
Fire Ball
Požáry: uzavřené/otevřené prostory
• výsledek rychlého úniku a iniciace hořlavých plynů pod tlakem (např. zemní plyn)
12Tepelné charakteristiky
Rychlost uvolňování tepla (Heat Release Rate)
Fáze
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
13Tepelné charakteristiky
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.
14Tepelné charakteristiky
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.
15
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
16Tepelné charakteristiky
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
17Tepelné charakteristiky
Přenos tepla zářením
• tepelné záření = častý iniciátor požáru• přenos se uskutečňuje prostřednictvím elektromagnetického vlnění, které vzniká
v důsledku tepelného stavu těles• při dopadu na povrch jiných těles se mění část zářivé energie zpět na energii
tepelnou• energie vyzařovaná tělesy vzrůstá s jejich teplotou
Hodnota emisního součinitele se pohybuje 0 – 1 a závisí na druhu materiálu a stavu
jeho povrchu.
18Tepelné charakteristiky
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
19Tepelné charakteristiky
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
20Tepelné charakteristiky
21
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
24Tepelné charakteristiky – kapaliny (zásobník)
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
25Tepelné charakteristiky – kapaliny (zásobník)
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
26Tepelné charakteristiky
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
27Tepelné charakteristiky
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
29
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
30
Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
Technický útvar požární ochrany, Praha
- měření teploty v místnosti (norma ISO 9705)
- koncentrace plynných složek (O2, CO, CO2, NO…)
- rychlost proudění
• nešířící se požár kapaliny – heptan
• nešířící se požár plynu – propan butan
• nešířící se požár pevné látky - borové dřevo
Tepelné charakteristiky – experimenty
Velkorozměrové měřítko
31
• šířící se požár obytných prostor – kuchyně a ložnice
Technický útvar požární ochrany, Praha
- měření teploty v místnosti
- koncentrace plynných složek (O2, CO, CO2, NO…)
Tepelné charakteristiky – experimenty
32
Velkorozměrové měřítko
ČVUT Praha, Metrostav, TUPO Praha
- měření teplotních profilů
- koncentrace plynných složek
- rychlost proudění plynů (šíření kouře, spalin)
• zkušební požár v tunelu Valík
Tepelné charakteristiky – experimenty
33
Velkorozměrové měřítkoVŠB TU Ostrava, TUPO Praha, Rockwool
- měření teplotních profilů
- koncentrace plynných složek
- rychlost proudění plynů, optická hustota kouře
- testování izolačních materiálů
• šířící se požár rodinného domu (Bohumín)
Tepelné charakteristiky – experimenty
34
Velkorozměrové měřítko
• šířící se požár rodinného domu (Bohumín)
Tepelné charakteristiky – experimenty
35
Velkorozměrové měřítkoČVUT Praha, TUPO Praha
- měření teplotních profilů
- odolnost konstrukčních profilů
• šířící se požár administrativní budovy (Mokrsko)
Tepelné charakteristiky – experimenty
https://www.youtube.com/watch?v=ezJ6SorlpJo
35
Velkorozměrové měřítko
Tepelné charakteristiky – experimenty
Čínské požární výcvikové středisko, Chongqing Municipality
37Tepelné charakteristiky – experimenty
Čínské požární výcvikové středisko, Chongqing Municipality
38Tepelné charakteristiky – experimenty
39
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
Matematické modely typu pole (CFD) 43
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.
Matematické modely typu pole (CFD) 44
Jak na to? Steckler a
kol.
volné stěny pevné stěny
vnější prostormístnost
hořák
1. geometrie
Matematické modely typu pole (CFD) 45
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
3D 2D
+ +
+ +
vysíťovaná geometie logické znázornění
2. řešení rovnic – výpočetní síť
mnohostěn
Matematické modely typu pole (CFD) 46
Jak na to?
výpočetní síť
P EW
N
S
Ukázka výpočetní sítě: nestrukturovaná síť (mnohostěny)
Matematické modely typu pole (CFD) 47
Jak na to?
2. řešení rovnic – nastavení řešiče
FDS
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
Matematické modely typu pole (CFD) 48
Jak na to?
3. zpracování výsledků
Vizualizace plamene a spalin
(program NIST FDS).
Ustálené teplotní pole
(program Ansys Fluent).
• teplotní pole
• tlakové pole
• koncentrační pole
• rychlostní pole
• ...
Matematické modely typu pole (CFD) 49
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
vhodný nevhodný nesmí se použít!
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
vhodný nevhodný nesmí se použít!
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.
vhodný nevhodný nesmí se použít!
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