§3.1. Распространение тепла из зоны горения в окружающее пространство

Поражение людей, техники при пожаре происходит не только в зоне горения, но и за её пределами вследствие распространения тепла в окружающее пространство, а также задымления значительной территории, оказывающее раздражающее и отрицательное психологическое воздействие на людей, а в некоторых случаях и отравление их окисью углерода и другими токсичными газами, снижения видимости.

Ниже основное внимание уделяется процессам передачи тепла из зоны горения в окружающее пространство. Вопросы, связанные с оценкой токсического действия продуктов сгорания, рассматриваются в §3.3.

Тепло, выделяемое в зоне горения, путём теплового излучения, конвекции и теплопроводности воздуха передаётся в окружающую среду, при этом основным механизмом теплообмена является тепловое излучение.

Тепловое излучение является частью спектра электромагнитных волн, рис.8. На этом рисунке обозначено: λ – длина волны, м; область 1 – радиоволны, 2 – микроволны, 3 – радар, 4 – инфракрасное излучение, 5 – видимый свет, 6 – ультрафиолетовое излучение, 7 – рентгеновское излучение, 8 – гамма-излучение.

Известно, что интенсивность теплового излучения, то есть количество энергии, излучаемой с 1см² поверхности абсолютно чёрного тела за 1 секунду (энергетическая светимость), пропорциональна четвёртой степени его температуры. Этот закон, носящий название закона Стефана-Больцмана, выражается в виде:

, (3.1)

где - интенсивность излучения, ;

 град⁴ - постоянная закона;

- абсолютная температура в градусах .

Из формулы (3.1) следует, что при повышении температуры тела, например, в 2 раза интенсивность теплового излучения увеличивается в 16 раз, при увеличении в 3 раза интенсивность возрастает в 81 раз и т.д. Спектральная интенсивность излучения , то есть количество энергии, излучаемой за 1 секунду в интервале длин волн от λ до λ+1, определяется по формуле Планка

, (3.2)

где - спектральная интенсивность излучения, ;

- Длина волны, мкм ;

; ;

Кривые спектральной плотности, вычисляемые по формуле (3.2) , приведены на рис.9.

Видно, чем выше температура тела, тем больше общая энергия излучения. Характерно, что при увеличении температуры Т максимум спектральной плотности смещается в сторону более коротких волн (закон Вина). Согласно этому закону длина волны λ_м, мкм, соответствующая максимуму значения , определяется из соотношения

(3.3)

Зная температуру Т, возникающую при горении, нетрудно найти значение λ_м и далее по рис.9 определить положение максимума спектральной плотности теплового излучения.

Рис.8. Спектр электромагнитного излучения

1 -радиоволны, 2-микроволны, 3-радар, 4-инфракрасное излучение, 5-видимый свет, 6-ультрафиолет, 7-рентгеновское излучение, 8-гамма-излучение

Рис.9. Спектр излучений в зависимости от температуры тела

1-инфракрасное излучение, 2-видимый свет, 3-ультрафиолет

Нагретые тела излучают энергию при температуре . При низких температурах излучаются в основном инфракрасные лучи, соответствующие длинным волнам. При увеличении температуры максимум энергии перемещается в сторону более коротких волн. При Т=500⁰С (Т=773 К) первые видимые лучи (красные) становятся настолько интенсивными, что начинают действовать на глаз человека. При появляется весь видимый спектр, затем с ростом Т наступает белое каление, а далее обнаруживаются и ультрафиолетовые лучи. Следует отметить, что наибольшее видимое световое излучение приходится на температуру ~ 6700К (температура Солнца ~6000⁰С).

Лучистый теплообмен зоны горения (факела пламени) с окружающей внешней средой при условии стационарности процесса, одинаковости поглощающей и отражающей способностей взаимодействующих сред и соотношении поверхностей факела и среды определяется соотношением [14]

, (3.4)

где - количество тепла, передаваемое факелом в окружающую среду в единицу времени, ;

- приведенный коэффициент, ;

- коэффициент, учитывающий степень черноты пламени (к₁=0,85 при горении нефтепродуктов, к₁=0,8 – при горении строительных конструкций);

- площадь поверхности факела, м²;

- температура факела пламени, К;

- температура окружающей среды, К.

Интенсивность излучения факела составляет . При значениях температуры Т_с=0 и коэффициента к₁=1, величина J_ф соответствует J_o в соотношении (3.1).

Следует отметить, что при теплообмене между излучающим и облучаемым телами имеют место тепловые потери вследствие поглощения тепла окружающей средой. Определённое представление о роли этого фактора можно получить на основе закона Бугера-Ламберта-Бера, согласно которому изменение интенсивности монохроматических волн (света) при распространении в среде определяется по зависимости

, (3.5)

где R – толщина слоя среды;

β – коэффициент поглощения.

Численное значение коэффициента  зависит от физических свойств среды, её температуры, длины волны излучения. Например, при прохождении излучения по воздуху при температуре t=10⁰, влажности 60% значение  = 0,1м ^-1 [14].

При оценках поражающего действия пожаров в условиях жилой и промышленной застройки, когда расстояния между горящими и смежными зданиями относительно невелики, тепловыми потерями, связанными с поглощением теплового излучения воздухом, часто пренебрегают. Они учитываются при крупных пожарах, например, при горении облаков газовоздушных смесей, образующихся при выбросах горючих газов в атмосферу в результате аварий на газопроводах, хранилищах горючих газов, транспортных авариях, а также при ядерных взрывах, см. § 3.7 и §6.10.

При пожарах в условиях жилой и промышленной застройки на величину теплообмена между излучающей и облучаемой поверхностями двух объектов влияют как расстояние между ними, так и взаимная ориентация и размеры этих поверхностей.