中国科技大学火灾爆炸安全工程.ppt

课件下载地址 o6/火灾爆炸安全工程 课件/ 烟气的性质、流动和控制 内 容 p烟气的产生与性质 p烟气的遮光性 p烟气的流动 p烟气的控制 烟气的产生与性质 p烟气的定义 l可燃气热解或燃烧产生的气相产物 l由于卷吸而进入的空气 l多种微小的固体颗粒和液滴 p尘、炭烟、雾气溶胶 l原生粒子以固体颗粒进入气相中的物质 l再生粒子由气体转变为固体或液体的粒子 l火灾烟气是一种特殊类型的气溶胶 烟气的产生与性质 p烟气对人的危害 l烟气对人的直接危害 高温烟气对人构成灼伤危险 烟气的窒息作用 烟气的有毒成分会造成致命危险 烟气的遮光性大大降低能见度，以致严重 影响人员疏散和灭火行动 l烟气对人的间接危害 烟气使人群陷入受威胁状态，从而使人员 的运动特点在火灾时产生与正常时很大的区别 l80%左右的人死于烟气 烟气的产生与性质 p烟颗粒的产生 l组分浓度梯度造成的不完全燃烧下的产物 阴燃材料热解生成的挥发分,与冷空气混合， 浓缩成较重的高分子组份，并形成薄雾 有焰燃烧 高温下脱离固体的灰分 不完全燃烧和高温分解形成的气相中碳颗 粒 可燃挥发分高温热解生成的高分子化合物 烟颗粒当中通常含有相当多的可燃组份，条件 合适会继续燃烧（温度、氧浓度） 烟气的产生与性质 o烟颗粒的产生 l母体可燃物的化学性质对烟气产生有重要影响 低分子量的燃料基本上不产生烟气 一氧化碳、甲醛、甲醇、乙醚等 高分子燃料易产生烟气 燃料的化学组分是决定烟气产生量的主要因 素 经过部分氧化的燃料发出的烟量比生成这 些物质的碳氢化合物的发烟量少 PMMA 烟气的产生与性质 p烟气的浓度 l由烟气中所含固体颗粒或液滴的多少及性质决定 l烟气中颗粒量的测量 过滤法：烟气流过一定的滤纸或滤网后的重量 G 粒子数目测量法：光子装置置于烟气通道上， 利用遮光性或反光性测单位体积烟气通过的烟颗粒数 目 O 光学浓度表示法：确定烟气在已知容积的容器 内的遮光性（光学密度） 固定容积式 S 流动式 D 烟气的产生与性质 p烟气的毒性 l火灾烟气中都会含有有毒物体 l含量最大的是CO：火灾中的死亡人员约有一半是 由CO中毒引起的 lNOX l氰化氢（HCN)木材、皮革、含氮塑料、人造革 等燃烧 lSOx、HCl等塑料制品的燃烧 l缺氧是气体毒性的特殊情况 l固体颗粒的毒害 烟气的产生与性质 p烟气的温度 l100的温度下： 30分钟 几分钟 l温度与极限忍受时间的关系式 l空气湿度增大，极限忍受时间降低 l衣服的透气性和隔热程度对忍受温度也有影响 烟气的遮光性 p表示方法 l光通过烟气或灰尘后会发生折射、散射、反射等 现象，光强减小 l遮光性：一定光束穿过烟场后强度的衰减 l光学密度：光通过烟气后透射率倒数的常用对数 烟气的遮光性 p烟气遮光性的几种表示方法 l烟气的光学密度 ： D = lg(I0/I) = -lg(I/I0) 单位：贝尔（bel)，单位较大 分贝(db)：贝尔的1/10, OD = -10 lg(I/I0) l单位长度光学密度 ：D0 = -lg(I/I0)/L l减光系数： Kc = ln(I/I0)/L= 2.303D0 l烟的百分遮光度： B = (I0I)/I0 100% l光学密度和遮光度的关系：D= -lg(1-B/100) 烟气的遮光性 p烟气的遮光性和人的能见度 l能见度的概念：人在一定环境下能看到的最远距离 ，具有一定的主观标志。 l人员疏散的一个重要影响因素，决定人员是否有危 险 l影响烟气能见度的因素： 烟气本身的性质：颜色、浓度、颗粒大小、刺激 性等 目标物的性质：颜色、尺寸、光照条件、发射光 还是反射光等 背景 人员本身的身体和精神状态、视力情况 烟气的遮光性 p烟气的遮光性和人的能见度 l能见度与减光系数和单位光学密度的关系 V = R/Kc= R/2.303D 金实验 白烟减光系数较小 发光标志：R取510 反光标志：R取24 有反射光存在的建筑物： R取24 巴切尔、帕乃尔 自发光标志可见度 比反光标志的大2.5倍 发光标志的能见度与减光系数的关系 500cd/m2 白烟 2000cd/m2 黑烟 500cd/m2 黑烟 2000cd/m2 白烟 0.4 0.5 0.7 1 1.5 2 20 15 10 7 能见 度 V(m) 减光系数 Kc (1/m) V=8 烟气的遮光性 p刺激性气体对能见度的影响 l刺激性气体对眼睛构成危害，人无法睁眼 l在刺激性气体中能见度和减光系数间的关系不 适用 在刺激性与非刺激性气体中人的能见度 能 见 度 V(m ) 减光系数 Kc (1/m) 0.711.523 2 3 5 7 10 20 30 刺激性烟气 非刺激性烟气 经验 方程 V=6 烟气的遮光性 o刺激性气体对能见度的影响 l可大大降低人的行走速度 减光系数为0.4时，刺激性气体中行走速度为非刺 激性中的70% 减光系数大于0.5时，刺激性气体中行走相当于盲 人 l对刺激性烟气，金(Jin)给出能见度经验公式 V（0.133-1.47logKc)R/Kc l对烟气浓度的研究 广泛应用于火灾探测 在刺激性与非刺激性烟气体中人的行走速度 非刺激性烟气 刺激性烟气 减光系数 Kc (1/m) 0.2 行 走 速 度 (m/ s) 1.01.20 0 0.5 0.3 1.0 1.5 盲人的行走速度 烟气的遮光性 p材料的发烟性能测试 l材料的发烟性能不是材料的固有性质，与火灾环境有 关 l但它建立了一种可评价材料发烟性的方法，仍得到广 泛应用 l不同测试方法的设计略有差别，但光学密度的测量都 是将烟气收集到固定的容器中进行的 名称场合类型参考 Rohm-Haas XP2FOSASTM, 1977 NBS试验ROSASTM, 1979 Arapahoe试验FGASTM, 1982 Steiner隧道法FODASTM, 1981(a) 辐射板试验RODASTM, 1981(b) OSU量热计RODASTM, 1980(b) ISO烟箱ROSISO, 1980 烟气的遮光性 o材料的发烟性能测试 l大多方法都是NBS烟箱法的改进型和衍生型 l常用的NBS烟箱法 实验材料：75cm2 热源：竖直上方2.5W/cm2的固定热源 下方6个小火焰组成的有焰燃烧阵 结果：装置内试样光学密度的最大值 Dm = D0(V/As) 只考虑了试样的暴露面积，没考虑试样的厚度 再现性和重复性好，误差在25间浮动 烟气的遮光性 o材料的发烟性能测试 l拉斯巴希法： 烟收集在13m3的容器中 引入发烟势的概念：烟气生成的最大可能性 Dp = D0 (V/W1) 考虑了可燃组份质量的影响 根据质量损失和容器大小，可求出光学密度 l房间总烟载荷 烟气的遮光性 o可燃固体处在烟囱结构中发出的烟很少 o实验炉中产生的烟较多 o一些问题 l具体建筑物应当按什么值来选择材料 l通风和轰燃对发烟量的影响 l发烟速率和发烟势的联系 导向火焰 研究可燃固体自由燃烧 时发烟性能的装置 烟气的流动 p烟气的有效流通面积 p烟气流动的驱动力 p中性面位置的计算 p中性面以上楼层内的烟气浓度 烟气的流动 p有效流通面积 l某种流体在一定压差下流过系统的总的当量流通面 积 l存在并联流动、串联流动、混联流动 p有效流通面积的计算 l并联流动：每个出口的压差P都相同，总流量QT 为各出口流量之和 QT = Q1+Q2+Q3 Q = CA (2P/)1/2 加压空间 Q1 A Q A2A3 Q3Q2 A1 并联出口 烟气的流动 o有效流通面积的计算 l串联流动 每个出口的体积流率相同 总压差 为各压差之和 PT = P1+P2+P3 加压空间 Q1 A Q A2 A3 Q3 Q2 A1 烟气的流动 o有效流通面积的计算 l混联流动：既有并联，又有串联 l并联：A2和A3， A4和A5 l串联：A23e、A45e与A1串联 A3A2 Q3Q2 Q1 Q4 A5 Q5 Q A 加压空间 A4 A1 混联出口 烟气的流动 p温度与流通系数变化的影响 l并联： l串联： 烟气的流动 o流动的驱动力 l烟囱效应 内外温差 密度差 压力差 l底部开口 正烟囱效应：内部温度高 负烟囱效应：外部温度高 烟气的流动 o烟囱效应 l上下双开口 形成流动：正向上，负向下 存在中性面，约在竖井中部，取决于上下口面 积 正烟囱效应 中性面之下： 中性面中上： 假定理想气体 烟气的流动 o烟囱效应 l实际中，气体流动竖井 楼层 外界 l对任意一楼层，其有效流动面积为： l通过该层的质量流率为： l对于串联路径，有 l从而得到竖井与建筑内部房间之间的压差： 烟气的流动 o烟囱效应 l通常，比值Asi/Ai0在1.7到7之间，表明竖井与建 筑物内部房间之间的压差比竖井与外界之间的压差 小得多。 l若着火楼层有较多窗口被烧破，Ai0变大，比值 Asi/Ai0将变小，以致Psi接近于Pso，即竖井与该层 房间的压差几乎等于竖井与外界的压差。 l楼层高度的影响。 l中性面以下发生火灾，烟气一般不会进入中性面 以下楼层，而容易进入中性面以上楼层。 l中性面以上由正烟囱效应产生的空气流动可限制 烟气的流动，空气从竖井流进着火层能够阻止烟气 流进竖井。 烟气的流动 o烟囱效应 建筑物中正烟囱效应引起的烟气流动 (a)(b)(c) 着火层 着火层 中性面中性面 着火层 烟气的流动 o烟气的浮力与膨胀力 l密度差引起的 l房间与外界环境的压差 着火房间温度恒定时： 当外界压力为标准大气压时，有 烟气的流动 o烟气的浮力与膨胀力 l压差与燃烧状况的关系 l烟气流出与空气流入的体积流量之比 烟气的流动 o风的影响 l风压的产生及影响因素 l压力差的大小与风速的平方成正比 使用空气温度表述，上式可写为 l风压系数Cw： -0.8+0.8, 与建筑物的几何形状、当地的挡 风情况、墙壁与风向之间的风向角有关 烟气的流动 o风的影响 建筑物的高宽比建筑物的长宽比 风向角( ) 不同墙壁上的风压系数 正面 背面 侧面 侧面 0 90 0 90 +0.7 -0.2 -0.5 -0.5 -0.5 -0.5 +0.7 -0.2 +0.7 -0.25 -0.6 -0.6 -0.5 -0.5 +0.7 -0.1 0 90 0 90 +0.7 -0.25 -0.6 -0.6 -0.6 -0.5 +0.7 -0.25 +0.7 -0.3 -0.7 -0.7 -0.5 -0.5 +0.7 -0.1 0 90 0 90 +0.8 -0.25 -0.8 -0.8 -0.8 -0.8 +0.8 -0.25 +0.7 -0.4 -0.7 -0.7 -0.5 -0.5 +0.8 -0.1 烟气的流动 o风的影响 l由风引起的建筑物两个侧面的压差为： l风压影响自然排烟 l风速与高度的关系： ln：无量纲风速指数 平坦区（野外）：0.16 不平坦区（村镇）：0.28 很不平坦区（市区）：0.40 烟气的流动 不同地形下的风速分布情况 烟气的流动 o机械通风系统造成的压差 l管道本身通风或烟囱效应 l管道相通，容易传播烟气 l风机启动时压差较大 l防范措施 关闭引风机，切断联系 关闭风道，安装防火阀 特殊设计控制烟气流动 l通风系统作为排烟设施？ 烟气的流动 o电梯的活塞效应 l活塞效应：前部压缩气体，后部抽引气体 l火灾中电梯的使用存在争议 l电梯上方与外界环境的压差 烟气的流动 o电梯的活塞效应 l流通通道：电梯井 门厅 房间 室外 l有效流通面积：Ae=(Ars-2+Air-2+Aoi-2)-1/2 l门厅与建筑物内部房间之间的压差 l压差不能超过下述值 适用于通风口关闭的电梯井 单井大于多井 烟气的流动 o中性面位置 l连续开缝的竖井 烟气的流动 o中性面位置 l上下双开口的竖井 烟气的流动 o连续开缝和一个上开口的竖井 l流出竖井的质量是由连续开缝流出的质量与由开口流出的 质量之和。 l根据竖井内的质量连续方程，流出的质量应 等于流入的质量。 当Av0： p中性面以上楼层内的烟气浓度 l假设：烟气质量流率稳定；楼层之间没有缝隙；外界温度低于竖 井内温度。 l质量流率： l烟囱效应造成的压差： l污染物的质量守恒方程： 污染物浓度： 烟气的流动 烟气的控制 o烟气控制 所有可以单独或组合起来以减轻或消除烟气危害的方法 。 o控制烟气的途径 l挡烟将烟气阻挡在某些限定区域 l排烟通过对人和物没有危害的渠道导出烟气 自然排烟 机械排烟 o大规模建筑，烟气控制是几种方法的结合 烟气的控制 o烟气控制的基本方式 l防烟分隔 防烟分隔的物体：墙壁、隔板、楼板等 防烟阻体挡烟主要是在建筑物内形成一定大 小的防烟分区 防烟阻体材料必须具有一定的耐火性能 跨越防烟分区的活动，则必须设置活动的门 或窗帘 分隔物存在一定的烟气泄漏 烟气泄漏的一阶近似：开口流动方程 烟气的控制 o烟气控制的基本方式 l防烟分区：让烟被限制在一个分区内，再利用该区独 立的排烟系统将烟排出，达到烟控制的目的。 l防烟分区的划分方法 平面分区：楼地板面积较大的使用空间，大多与防 烟垂壁相配合。分区原则可分为以楼地板面积，及以距排 烟口长度来划分。 垂直分区：电梯竖井、楼梯间或其它管道井等，用 防火墙及防火门作分区，以防止烟流入竖井中并经由竖井 向其它楼层蔓延。 层间分区：楼层为基础，所构成之天花板和楼地板 间的分区。 烟气的控制 o烟气控制的基本方式 l防烟分区的面积计算 走道内有排烟，房间内没有 门为防火门：只按走道面积划分 门不是防火门：房间和走道面积都算 房间内有排烟，走道内没有 门为防火门：只按房间面积划分 门不是防火门：房间和走道面积都算 烟气的控制 o烟气控制的基本方式 l非火源区域的烟气稀释 烟气稀释可是烟气或粒子浓度控制在人可承 受的程度 烟气在空间的浓度分布为： 由此得到：稀释率 时间 烟气的控制 o烟气控制的基本方式 l加压控制 使用风机在防烟分隔物的两侧造成压差从而控制烟 气流过。 加压控制的两种状况 利用分隔物两侧的压差控制 利用平均流速足够大的空气控制 设计烟控系统时，应分别考虑两种情况 加压系统中应设计一种可将烟气排到外界的通道 烟气的控制 o烟气控制的基本方式 l空气流 应用于铁路、公路隧道、地下铁道等的烟控 Thomas给出的临界速度公式： 烟气的控制 o烟气控制的基本方式 l空气流 取下游气体参数为离火源足够远区域的参数，有 系数kv约为0.0292。 适用于走廊内烟气流动 根据火源功率可确定临界流速 建筑物内一般不采用 l浮力 用于风机驱动和自然通风系统 喷淋对浮力的削弱 烟气的控制 o空气流率与压差的计算 l通过缝隙的流率与压差的关系可表述为： l压差可表述为： l雷诺数： 为路径的特性尺寸 空气流率与压差的计算 o动力控制的流动 lRe较大时（2500-4000)： l C（无量纲流通系数）一般在0.50.7 l 标准温度和标准大气压下的流率公式： 空气流率与压差的计算 o粘性力控制的流动 l 在1001000 l流率与压力损失成正比 l其类似无限长平行板泊松（Poiseuille）流 l实际流动与平板泊松流存在偏差 空气流率与压差的计算 o指数流动方程 l计算公式 ： 指数方程的流通系数 n： 流通指数 l内部路径的指数取0.5 l外部墙壁的指数取0.6或0.65 空气流率与压差的计算 o缝隙流动的计算 lGross