Prezentace aplikace PowerPoint

Bezpečnostní inženýrství
- Požáry a exploze-
M. Jahoda
Požáry
Rozdělení
Podle oblasti
• uzavřené prostory
• otevřené prostory
Podle formy hoření
• homogenní (páry, plyny)
• heterogenní hoření (pevné látky)
Fáze požáru
2
Formy hoření
3
Homogenní hoření
teplo
hořlavý plyn
vzduch
smísení
kapalina
hořlavé páry
hořlavá směs
vzduch
smísení
iniciace
požár
hořlavá směs
iniciace
požár
Heterogenní hoření
teplo
tuhá látka
uhlíkatý
zbytek
teplo
vzduch
tlení
žhnutí
bezplamenné
hoření
degradovaný
materiál
hořlavé páry
vzduch
smísení hořlavá iniciace
požár
směs
Požáry: uzavřené prostory
Žíhavé plameny
= rollover (flameover)
• V počáteční fázi požáru vzrůstá teplota v
místnosti, teplota plamene je asi 500 °C.
• Větší množství zahřátých hořlavých plynů se
hromadí u stropu místnosti a mísí se se vzdušným
kyslíkem.
• Jestliže koncentrace hořlavých plynů dosáhne
mezi hořlavosti, dojde ke vznícení a rychlému
rozšíření požáru.
• Plameny se šíří velkou rychlostí pod stropem,
dokud nevyhoří hořlavé plyny, nebo neklesne
koncentrace kyslíku.
4
Požáry: uzavřené prostory
Celkové vzplanutí plynů v celém prostoru
= flashover
• Celkové náhlé vzplanutí hořlavých
materiálů (rychlý přechod fáze rozhořívání
do plně rozvinutého požáru) najednou.
• Dostatečné množství kyslíku, vznikají
velké plameny, které způsobují turbulentní
proudění horkých plynů v místnosti.
• Teplota v celém prostoru se přiblíží hodnotám samovznícení
materiálů v místnosti (teploty cca 400-700°C pod stropem).
• Od okamžiku celkového vzplanutí je požár řízen ventilací, neboť
vlivem intenzivního hoření dochází k poklesu koncentrace kyslíku.
5
Požáry: uzavřené prostory
Explozivní hoření
= backdraft
• Vznikne při náhlém přísunu kyslíku do uzavřené místnosti, která
obsahuje horké hořlavé plyny, ale již zde není plamenné hoření.
• Teplota v celém prostoru se přiblíží hodnotám samovznícení materiálů
v místnosti (teploty cca 500 °C pod stropem).
6
Požáry: uzavřené/otevřené prostory
Pool Fire
• hoření par kapaliny, která je ohraničena pevnými stěnami (zásobníky)
7
Požáry: uzavřené/otevřené prostory
8
Spill Fire
• hoření par kapaliny, která není ohraničena pevnými stěnami (kaluže)
BP oil spill, 2010
Požáry: uzavřené/otevřené prostory
9
Spill Fire
• hoření par kapaliny, která není ohraničena pevnými stěnami (kaluže)
BP oil spill, 2010
Požáry: uzavřené/otevřené prostory
10
Spill Fire
• hoření par kapaliny, která není ohraničena pevnými stěnami (kaluže)
BP oil spill, 2010
Požáry: uzavřené/otevřené prostory
Fire Ball
• výsledek rychlého úniku a iniciace hořlavých plynů pod tlakem (např. zemní plyn)
11
Tepelné charakteristiky
12
Rychlost uvolňování tepla (Heat Release Rate),
Rate) W/m2
•
•
•
•
představuje energii uvolňovanou hořlavým materiálem za jednotku času
je základním parametrem pro určení intenzity hoření
je časově závislá
není jednoduchou materiálovou vlastností (experimentální zjištění)
 kónický kalorimetr (pevné látky)
 radiometr
 úbytek materiálu
𝑄𝑚𝑎𝑥
𝑄𝑝𝑟ů𝑚ě𝑟
Fáze
rozvoje
Ustálená fáze
Fáze
dohořívání
Tepelné charakteristiky
13
Stanovení rychlosti uvolňování tepla (pevné látky)
Experimentálně: kónický kalorimetr (zkušební metoda podle ISO/CD 5660-1)
 stanovení rychlosti uvolňování tepla z materiálů na základě sledování spotřeby
kyslíku a měření koncentrací oxidu uhličitého a uhelnatého
V kónickém kalorimetru je horizontálně umístěn
kónický zářič, kdy intenzita toku sálavého tepla je
regulována do 50 kW/m2 s přesností ± 2 %. Vzorky se
vkládají do speciálního držáku, který je umístěn pod
zářičem na vahách. Plynné zplodiny hoření se vzorkují
spaliny sazový filtr a vymrazovač vodní vlhkosti do
analyzátorů ke stanovení obsahu O2, CO a CO2. Dále
se měří teplota spalin a tlaková diference na cloně.
Vzorek materiálu se zapaluje elektrickou jiskrou
jiskřiště umístěného nad držákem vzorku. Data z
analyzátorů, termočlánků, clony a váhy se sbírají v
čase a ukládají v PC.
Tepelné charakteristiky
14
Stanovení rychlosti uvolňování tepla
Experimentálně: kónický kalorimetr (zkušební metoda podle ISO/CD 5660-1)
stechiometrický hmotnostní poměr
kyslík/palivo
Spalné teplo je takové množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením jednotkového množství
paliva. Předpokládá se, že voda, uvolněná spalováním, zkondenzuje a energii chemické reakce není
třeba redukovat o její skupenské teplo. Tím se spalné teplo liší od výhřevnosti, kde se předpokládá na
konci reakce voda v plynném skupenství. Proto je hodnota spalného tepla vždy větší nebo alespoň rovna
hodnotě výhřevnosti.
Tepelné charakteristiky - HRR
15
Přibližné hodnoty uvolněného tepla – různé zdroje
Experimentálně: např. vodou chlazený radiometr typ Schmidt-Boelter SBG01
Látka
HRR, 𝑸
hořící cigareta
5W
běžná žárovka
60 W
hořící svíčka
80 W
člověk při běžném pohybu
100 W
hořící papír v odpadkovém koši
100 kW
hořící kaluž benzínu, 1 m2
2.5 MW
dřevěné palety na skládané do výšky 3 m
7 MW
Tepelné charakteristiky
16
Vliv tepelného záření na člověka
Intenzita tepelného toku
W m-2
Pocit člověka
60 – 100
vnímá teplo
200 – 600
pociťuje teplo
1 000 – 2 300
pociťuje horko
3 000 – 5 000
pociťuje bolest
Intenzita tepelného toku
W m-2
Doba působení
s
do 550
neomezená
625 – 1 050
180 – 300
1 100 – 1 600
40 – 60
1 680 – 2 200
20 – 30
2 200 – 2 800
12 – 14
2 800 – 3 100
7 – 10
nad 3 500
2–5
Tepelné charakteristiky
Přenos tepla zářením
• tepelné záření = častý iniciátor požáru
• přenos se uskutečňuje prostřednictvím elektromagnetického vlnění, které vzniká
v důsledku tepelného stavu těles
• při dopadu na povrch jiných těles se mění část zářivé energie zpět na energii
tepelnou
• energie vyzařovaná tělesy vzrůstá s jejich teplotou
Hodnota emisního součinitele se pohybuje 0 – 1 a závisí na druhu materiálu a stavu
jeho povrchu.
17
Tepelné charakteristiky
18
Intenzita toku tepla od plamene na stěnu
• Intenzita záření nesvítivého plamene = záření plynů
Efektivní emisivita stěny
• Intenzita záření svítivého plamene
povrch
emisivita
černé těleso
1
čiré sklo
0,95
beton
0,87
omítka
0,85
ocel
0,70
pozink
0,35
leštěný hliník
0,10
leštěné zlato
0,03
plamen z látky
emisivita, pl
antracit
0,45
mazut
0,85
dřevo, rašelina
0,70
benzín
0,96 – 0,99
Tepelné charakteristiky
Intenzita toku tepla od plamene na stěnu
• např. stavební konstrukce, aparáty, ...
19
Tepelné charakteristiky
20
ČSN EN 1991-1-2 uvádí různé přístupy pro
stanovení tepelného zatížení – normativní
přístup, který používá pro stanovení tepelného
zatížení nominální požár a přístup vycházející
z vlastností využívající fyzikální a chemické
parametry.
Zdroj: http://www.tzb-info.cz/pozarni-ochrana/8853-tepelna-a-mechanicka-zatizeni-konstrukci-pri-pozaru
Tepelné charakteristiky - HRR
21
Výpočet rychlosti uvolňování tepla při hoření kapalin
• měřením hmotnostního úbytku
Vyjádření nedokonalosti spalování
(např. tvorba sazí)
= efektivní výhřevnost
alkoholy a většina hořlavých plynů  1 (málo sazí)
kapalné uhlovodíky  0,6 - 0,7 (hodně sazí/kouře)
Hoření kapaliny v zásobníku (pool fire)
Entalpická bilance
qk – tok tepla prouděním,
qr – tok tepla sáláním z plamene,
qrr – tok tepla sáláním z povrchu hladiny
Tb – teplota varu kapaliny
Tf – teplota kapaliny
22
Tepelné charakteristiky – kapaliny (zásobník)
23
Intenzita hmotnostního toku (kg m-2s-1)
Empirický vztah pro intenzitu hmot. toku*
(Burgessova-Strasserova-Grumerova metoda)
- výhřevnost, J kg-1
- měrná výparná entalpie, J kg-1
Tb – teplota varu kapaliny, K
T - teplota okolí, K
hodnota empirické konstanty c
• publikovaná* : 1,27·10-6 m s-1
*M.
J. Assael, K. E. Kakosimos. Fires, explosions, and toxic gas dispersions: effect calculation and risk
analysis. Taylor and Francis Group, 2010.
Tepelné charakteristiky – kapaliny (zásobník)
Intenzita hmotnostního toku (kg m-2s-1)
• experimenty
Experiment ÚCHI VŠCHT
Průměr nádoby
m
Převažující forma
sdílení tepla
do 0,05
konvekce, laminární tok
0,05 - 0,2
konvekce, turbulentní tok
více než 0,2
radiace, turbulentní tok
24
Tepelné charakteristiky – kapaliny (zásobník)
25
Intenzita hmotnostního toku (kg m-2s-1)
Empirický vztah pro intenzitu hmot. toku*
(Zabetakisova-Burgessova metoda)
- závislost na průměru plochy
Palivo
DhC, eff
kJ kg-1
Hustota
kg m-3
Konstanta
kb, m-1
benzín
0,055
43 700
740
2,1
petrolej
0,039
43 200
820
3,5
nafta
0,044
44 400
918
100#
topný olej
0,035
39 700
940 – 1 000
1,7
# odhad
*M.
𝑚′∞
kg m-2 s-1
v případě, že hodnota není známá
J. Assael, K. E. Kakosimos. Fires, explosions, and toxic gas dispersions: effect calculation and risk
analysis. Taylor and Francis Group, 2010.
Tepelné charakteristiky
26
Teplota plamene
Zdroj
hořící zápalka
hořící svíčka
doutnající cigareta
hořící papír
rozžhavená elektrická spirála
plamen zapalovače
žárovka
Teplota [°C]
740 - 800
650 - 950
228 - 750
800 - 850
980 - 1000
650 - 860
70 - 250
Látka
rašelina, mazut
dřevo, polystyren, nafta
černé uhlí, kaučuk, benzín
líh
metan
vodík
acetylén
Teplota [°C]
1 000
1 100
1 200
1 218
1 875
2 045
2 325
Tepelné charakteristiky
27
Výška plamene – otevřený prostor
Kapaliny
Pevné látky
Charakteristický rozměr
pro nekruhové plochy
Tepelné charakteristiky – experimenty
28
Laboratorní měřítko
VŠCHT Praha
- měření hmotnostního úbytku hořlavé kapaliny
- teplota plamene a stěn nádoby
- výška plamene
Hoření heptanu o objemu 6,5 ml v misce
o průměru 48 mm.
Měření teploty termokamerou a
bodovými termočlánky.
Miska je umístěna na vahách, které jsou
odcloněny žáruvzdornou deskou
z keramických vláken.
Tepelné charakteristiky – experimenty
29
Malorozměrové měřítko
Technický útvar požární ochrany, Praha
- měření teploty v místnosti (norma ISO 9705)
- koncentrace plynných složek (O2, CO, CO2, NO…)
- rychlost proudění
Místnost 3 x 3.3 x 2.6 m s otevřenými dveřmi
•
•
nešířící se požár kapaliny – heptan
nešířící se požár plynu – propan butan
Tepelné charakteristiky – experimenty
Malorozměrové měřítko
Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
Technický útvar požární ochrany, Praha
- měření teploty v místnosti (norma ISO 9705)
- koncentrace plynných složek (O2, CO, CO2, NO…)
- rychlost proudění
•
•
•
nešířící se požár kapaliny – heptan
nešířící se požár plynu – propan butan
nešířící se požár pevné látky - borové dřevo
30
Tepelné charakteristiky – experimenty
Velkorozměrové měřítko
Technický útvar požární ochrany, Praha
- měření teploty v místnosti
- koncentrace plynných složek (O2, CO, CO2, NO…)
• šířící se požár obytných prostor – kuchyně a ložnice
31
Tepelné charakteristiky – experimenty
Velkorozměrové měřítko
ČVUT Praha, Metrostav, TUPO Praha
- měření teplotních profilů
- koncentrace plynných složek
- rychlost proudění plynů (šíření kouře, spalin)
• zkušební požár v tunelu Valík
32
Tepelné charakteristiky – experimenty
Velkorozměrové měřítko
VŠB TU Ostrava, TUPO Praha, Rockwool
- měření teplotních profilů
- koncentrace plynných složek
- rychlost proudění plynů, optická hustota kouře
- testování izolačních materiálů
• šířící se požár rodinného domu (Bohumín)
33
Tepelné charakteristiky – experimenty
Velkorozměrové měřítko
• šířící se požár rodinného domu (Bohumín)
34
Tepelné charakteristiky – experimenty
Velkorozměrové měřítko
ČVUT Praha, TUPO Praha
- měření teplotních profilů
- odolnost konstrukčních profilů
• šířící se požár administrativní budovy (Mokrsko)
35
Tepelné charakteristiky – experimenty
Velkorozměrové měřítko
https://www.youtube.com/watch?v=ezJ6SorlpJo
35
Tepelné charakteristiky – experimenty
Čínské požární výcvikové středisko, Chongqing Municipality
37
Tepelné charakteristiky – experimenty
Čínské požární výcvikové středisko, Chongqing Municipality
38
Skutečnost ...
39
Požár kuchyně v bytě obytného domu.
Příčina: při smažení masa došlo ke
vznícení oleje.
foto: HZS KHK
Požár dětského pokoje v sedmém patře
bytového domu.
Příčina: přenosný DVD přehrávač v režimu
nabíjení.
foto: HZS MSK
Experimenty (požární zkoušky)
K čemu slouží požární zkoušky?
Co to znamená?
Požár s přesně definovanými počátečními podmínkami
= známým množstvím a druhem hořlavého materiálu a zápalné látky
Zajímají nás informace:
• vývoj teplotního pole
• složení a koncentrace spalin
• rychlost a směru proudění plynů
• požární odolnost konstrukcí
• množství uvolněného tepla
Cílem je získat experimentální data pro porovnání s daty modelovými.
40
Matematické modely
41
= předpověď chování požáru (profily teploty, tlaku, koncentrace složek, ...)
na základě řešení rovnic popisující fyzikální a chemické děje při požáru
Pravděpodobnostní modely
• statistické
Deterministické modely
• zónové
• počítačová dynamika tekutin(CFD)
„teplá“ vrstva
„studená“ vrstva
dvou-zónový model
Matematické modely typu pole (CFD)
Řešíme soustavu rovnic metodou konečných objemů
42
Matematické modely typu pole (CFD)
43
Steckler a kol.
Jak na to?
1. geometrie
místnost: 2,8 x 2,8 x 2,18 m
dveřní prostor: 0,1 x 0,74 x 1,83 m
hořák: 0,48 x 0,3 x 0,42 m
výkon: 62,9 kW
Steckler, K. D., Quintiere, J. G., Rinkinen, W. J., 1982. Flow induced by fire in a
compartment, NBSIR 82-2520, National Bureau of Standards, Center for Fire
Research, Washington, USA.
Matematické modely typu pole (CFD)
44
Steckler a
kol.
Jak na to?
1. geometrie
volné stěny
vnější prostor
hořák
pevné stěny
místnost
Matematické modely typu pole (CFD)
45
Jak na to?
2. řešení rovnic – výpočetní síť
Řešená oblast je rozdělena na konečný počet malých kontrolních objemů.
Základní rovnice (kontinuity, pohybové, energie, transportní, …), které popisují spojité
prostředí, jsou disktetizovány do soustavy algebraických rovnic.
Základní tvary buněk
2D
3D
čtyřstěn
jehlan
(pyramida)
šestistěn
pětistěn
(klín)
trojúhelník
čtyřúhelník
+
+
+
mnohostěn
+
vysíťovaná geometie
logické znázornění
Matematické modely typu pole (CFD)
46
Jak na to?
N
 výpočetní síť
P
W
S
Ukázka výpočetní sítě: nestrukturovaná síť (mnohostěny)
E
Matematické modely typu pole (CFD)
47
Jak na to?
2. řešení rovnic – nastavení řešiče
proudění
hoření
rovnice kontinuity
produkce sazí
kinetika hoření
bilance hybnosti
radiace
model turbulence
transport hmoty
pyrolýza
odpařování
bilance energie
Modelování požáru
metodou CFD
Řešiče:
Fluent, CFX
SMARTFIRE
FDS
OpenFOAM + FireFOAM
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 – rodinný dům.
Požární zkouška – kuchyně.
Požár chemické laboratoře.
Osvěta – hasicí přístroje
Pěnový
50
Hasivo: voda + pěnidlo, obsah hasiva: 6 l, výtlačný plyn: dusík
vhodný
nevhodný
nesmí se použít!
Pevné hořlavé látky
Hořlavé kapaliny mísící se
s vodou
Elektrická zařízení pod proudem
Benzín, nafta, minerální oleje a
tuky
Hořlavé plyny
Lehké a hořlavé alkalické kovy
Vodní
Hasivo: voda + potaš (K2CO3) – chrání proti zamrznutí
vhodný
nevhodný
nesmí se použít!
Papír, dřevo a další pevné
hořlavé látky
Benzín, nafta, líh, ředidlo
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
https://www.youtube.com/watch?v=a2vZuyOee58
Osvěta – hasicí přístroje
Sněhový
Hasivo: CO2
vhodný
nevhodný
nesmí se použít!
Elektrická zařízení pod proudem
Pevné hořlavé látky typu dřeva,
textil, uhlí
Lehké a hořlavé alkalické kovy
Hořlavé plyny
Hořlavý prach
Hořlavé kapaliny
Sypké látky
Jemná mechanika a elektronické
zařízení
Halotronový
•
Hasivo: bromid, nebo tetrafluoridbrometan C2F4Br2
dá se použít pro hašení všech materiálů s výjimkou pevných žhnoucích látek.
Práškový Hasivo: prášek Furex ABC = dihydrogenfosforečnan amonný, výtlačný plyn: dusík nebo CO2
vhodný
nevhodný
Elektrická zařízení pod proudem Dřevo, uhlí, textil
Hořlavé plyny
Benzín, nafta, oleje
Pevné materiály
Počítače, televizory a další
elektronika
nesmí se použít!
Lehké a hořlavé alkalické kovy
Osvěta – hasicí přístroje
https://www.youtube.com/watch?v=i-VSVC_vQZU
51