Bezpečnostní inženýrství - Požáry a exploze-

Transkript

1 Bezpečnostní inženýrství - Požáry a exploze- M. Jahoda

2 Požáry 2 Rozdělení Podle oblasti uzavřené prostory otevřené prostory Podle formy hoření homogenní (páry, plyny) heterogenní hoření (pevné látky) Fáze požáru

3 Formy hoření 3 Homogenní hoření teplo kapalina hořlavý plyn smísení vzduch hořlavé páry vzduch smísení hořlavá směs iniciace požár hořlavá směs požár iniciace Heterogenní hoření uhlíkatý zbytek teplo vzduch tlení žhnutí bezplamenné hoření teplo tuhá látka degradovaný materiál hořlavé páry vzduch smísení hořlavá směs iniciace požár

4 Požáry: uzavřené prostory 4 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.

5 Požáry: uzavřené prostory 5 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 C pod stropem). Od okamžiku celkového vzplanutí je požár řízen ventilací, neboť vlivem intenzivního hoření dochází k poklesu koncentrace kyslíku.

6 Požáry: uzavřené prostory 6 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).

7 Požáry: uzavřené/otevřené prostory 7 Pool Fire hoření par kapaliny, která je ohraničena pevnými stěnami (zásobníky)

8 Požáry: uzavřené/otevřené prostory 8 Spill Fire hoření par kapaliny, která není ohraničena pevnými stěnami (kaluže) BP oil spill, 2010

11 Požáry: uzavřené/otevřené prostory 11 Fire Ball výsledek rychlého úniku a iniciace hořlavých plynů pod tlakem (např. zemní plyn)

12 Tepelné charakteristiky 12 Rychlost uvolňování tepla (Heat Release Rate), W/m 2 představuje energii uvolňovanou hořlavým materiálem za jednotku času je základním parametrem pro určení intenzity hoření je časově závislá není jednoduchou materiálovou vlastností (experimentální zjištění) Q max kónický kalorimetr (pevné látky) radiometr úbytek materiálu Q průměr Fáze rozvoje Ustálená fáze Fáze dohořívání

13 Tepelné charakteristiky 13 Stanovení rychlosti uvolňování tepla (pevné látky) Experimentálně: kónický kalorimetr (zkušební metoda podle ISO/CD ) 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/m 2 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 O 2, CO a CO 2. Dále se měří teplota spalin a tlaková diference na cloně. Vzorek materiálu se zapaluje elektrickou jiskrou jiskřiště umístěného nad držákem vzorku. Data z analyzátorů, termočlánků, clony a váhy se sbírají v čase a ukládají v PC.

14 Tepelné charakteristiky 14 Stanovení rychlosti uvolňování tepla Experimentálně: kónický kalorimetr (zkušební metoda podle ISO/CD ) 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.

15 Tepelné charakteristiky - HRR 15 Přibližné hodnoty uvolněného tepla různé zdroje Experimentálně: např. vodou chlazený radiometr typ Schmidt-Boelter SBG01 Látka hořící cigareta běžná žárovka hořící svíčka člověk při běžném pohybu hořící papír v odpadkovém koši hořící kaluž benzínu, 1 m 2 dřevěné palety na skládané do výšky 3 m HRR, Q 5 W 60 W 80 W 100 W 100 kw 2.5 MW 7 MW

16 Tepelné charakteristiky 16 Vliv tepelného záření na člověka Intenzita tepelného toku W m -2 Pocit člověka vnímá teplo pociťuje teplo pociťuje horko pociťuje bolest Intenzita tepelného toku W m -2 do 550 Doba působení s neomezená nad

17 Tepelné charakteristiky 17 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.

18 Tepelné charakteristiky 18 Intenzita toku tepla od plamene na stěnu Intenzita záření nesvítivého plamene = záření plynů povrch emisivita Efektivní emisivita stěny Intenzita záření svítivého plamene 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

19 Tepelné charakteristiky 19 Intenzita toku tepla od plamene na stěnu např. stavební konstrukce, aparáty,...

20 Tepelné charakteristiky 20 ČSN EN 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:

21 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)

22 Hoření kapaliny v zásobníku (pool fire) 22 Entalpická bilance q k tok tepla prouděním, q r tok tepla sáláním z plamene, q rr tok tepla sáláním z povrchu hladiny T b teplota varu kapaliny T f teplota kapaliny

23 Tepelné charakteristiky kapaliny (zásobník) 23 Intenzita hmotnostního toku (kg m -2 s -1 ) Empirický vztah pro intenzitu hmot. toku * (Burgessova-Strasserova-Grumerova metoda) - výhřevnost, J kg -1 - měrná výparná entalpie, J kg -1 T b teplota varu kapaliny, K T - teplota okolí, K hodnota empirické konstanty c publikovaná * : 1, 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.

24 Tepelné charakteristiky kapaliny (zásobník) 24 Intenzita hmotnostního toku (kg m -2 s -1 ) experimenty Experiment ÚCHI VŠCHT Průměr nádoby m do 0,05 Převažující forma sdílení tepla konvekce, laminární tok 0,05-0,2 konvekce, turbulentní tok více než 0,2 radiace, turbulentní tok

25 Tepelné charakteristiky kapaliny (zásobník) 25 Intenzita hmotnostního toku (kg m -2 s -1 ) Empirický vztah pro intenzitu hmot. toku * (Zabetakisova-Burgessova metoda) - závislost na průměru plochy Palivo m kg m -2 s -1 Dh C, eff kj kg -1 Hustota kg m -3 Konstanta kb, m -1 benzín 0, ,1 petrolej 0, ,5 nafta 0, # topný olej 0, ,7 # odhad v případě, že hodnota není známá * M. J. Assael, K. E. Kakosimos. Fires, explosions, and toxic gas dispersions: effect calculation and risk analysis. Taylor and Francis Group, 2010.

26 Tepelné charakteristiky 26 Teplota plamene Zdroj Teplota [ C] hořící zápalka hořící svíčka doutnající cigareta hořící papír rozžhavená elektrická spirála plamen zapalovače žárovka Látka Teplota [ C] rašelina, mazut dřevo, polystyren, nafta černé uhlí, kaučuk, benzín líh metan vodík acetylén 2 325

27 Tepelné charakteristiky 27 Výška plamene otevřený prostor Kapaliny Charakteristický rozměr pro nekruhové plochy Pevné látky

28 Tepelné charakteristiky experimenty 28 Laboratorní měřítko VŠCHT Praha - měření hmotnostního úbytku hořlavé kapaliny - teplota plamene a stěn nádoby - výška plamene Hoření heptanu o objemu 6,5 ml v misce o průměru 48 mm. Měření teploty termokamerou a bodovými termočlánky. Miska je umístěna na vahách, které jsou odcloněny žáruvzdornou deskou z keramických vláken.

29 Tepelné charakteristiky experimenty 29 Malorozměrové měřítko Technický útvar požární ochrany, Praha - měření teploty v místnosti (norma ISO 9705) - koncentrace plynných složek (O 2, CO, CO 2, 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

30 Tepelné charakteristiky experimenty 30 Malorozměrové měřítko Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Technický útvar požární ochrany, Praha - měření teploty v místnosti (norma ISO 9705) - koncentrace plynných složek (O 2, CO, CO 2, NO ) - rychlost proudění nešířící se požár kapaliny heptan nešířící se požár plynu propan butan nešířící se požár pevné látky - borové dřevo

31 Tepelné charakteristiky experimenty 31 Velkorozměrové měřítko Technický útvar požární ochrany, Praha - měření teploty v místnosti - koncentrace plynných složek (O 2, CO, CO 2, NO ) šířící se požár obytných prostor kuchyně a ložnice

32 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

33 Tepelné charakteristiky experimenty 33 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)

34 Tepelné charakteristiky experimenty 34 Velkorozměrové měřítko šířící se požár rodinného domu (Bohumín)

35 Tepelné charakteristiky experimenty 35 Velkorozměrové měřítko ČVUT Praha, TUPO Praha - měření teplotních profilů - odolnost konstrukčních profilů šířící se požár administrativní budovy (Mokrsko)

36 Tepelné charakteristiky experimenty 35 Velkorozměrové měřítko

37 Tepelné charakteristiky experimenty 37 Čínské požární výcvikové středisko, Chongqing Municipality

38 Tepelné charakteristiky experimenty 38 Čínské požární výcvikové středisko, Chongqing Municipality

39 Skutečnost 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

40 Experimenty (požární zkoušky) 40 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.

41 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 dvou-zónový model studená vrstva

42 Matematické modely typu pole (CFD) 42 Řešíme soustavu rovnic metodou konečných objemů

43 Matematické modely typu pole (CFD) Jak na to? 1. geometrie místnost: 2,8 x 2,8 x 2,18 m 43 Steckler a kol. 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., Flow induced by fire in a compartment, NBSIR , National Bureau of Standards, Center for Fire Research, Washington, USA.

44 Matematické modely typu pole (CFD) Jak na to? 1. geometrie 44 Steckler a kol. volné stěny pevné stěny vnější prostor místnost hořák

45 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. 3D Základní tvary buněk 2D čtyřstěn jehlan (pyramida) trojúhelník šestistěn pětistěn (klín) čtyřúhelník mnohostěn vysíťovaná geometie logické znázornění

46 Matematické modely typu pole (CFD) 46 Jak na to? výpočetní síť N W P E S Ukázka výpočetní sítě: nestrukturovaná síť (mnohostěny)

47 Matematické modely typu pole (CFD) 47 Jak na to? 2. řešení rovnic nastavení řešiče proudění rovnice kontinuity hoření produkce sazí model turbulence bilance hybnosti transport hmoty bilance energie kinetika hoření radiace pyrolýza odpařování Modelování požáru metodou CFD Řešiče: Fluent, CFX SMARTFIRE FDS OpenFOAM + FireFOAM

48 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...

49 Matematické modely typu pole (CFD) 49 Složitější geometrie Požární zkouška rodinný dům. Požární zkouška kuchyně. Požár chemické laboratoře.

50 Osvěta hasicí přístroje 50 Pěnový Hasivo: voda + pěnidlo, obsah hasiva: 6 l, výtlačný plyn: dusík vhodný nevhodný nesmí se použít! Pevné hořlavé látky Benzín, nafta, minerální oleje a tuky Hořlavé kapaliny mísící se s vodou Hořlavé plyny Elektrická zařízení pod proudem Lehké a hořlavé alkalické kovy Vodní Hasivo: voda + potaš (K 2 CO 3 ) 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

51 Osvěta hasicí přístroje Sněhový Hasivo: CO 2 vhodný nevhodný nesmí se použít! Elektrická zařízení pod proudem Hořlavé plyny Hořlavé kapaliny Jemná mechanika a elektronické zařízení Pevné hořlavé látky typu dřeva, textil, uhlí Lehké a hořlavé alkalické kovy Hořlavý prach Sypké látky Halotronový Hasivo: bromid, nebo tetrafluoridbrometan C 2 F 4 Br 2 dá se použít pro hašení všech materiálů s výjimkou pevných žhnoucích látek. Práškový Hasivo: prášek Furex ABC = dihydrogenfosforečnan amonný, výtlačný plyn: dusík nebo CO 2 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

52 Osvěta hasicí přístroje 51