Взгляд снаружи
Диапазон концентрации кислорода в воздухе, пригодный для жизни. Диапазон содержания кислорода в воздухе ( p_{text{O}_2}), при котором возможна жизнедеятельность человека в течение длительного времени, ограничен значениями
90–100 мм рт. ст. < ( p_{text{O}_2}) < 400–450 мм рт. ст.
Нижняя граница соответствует началу кислородного голодания, верхняя — началу кислородного отравления. В процентном отношении наступление кислородного голодания у здорового человека наступает уже при содержании O2 в воздухе ( p_{text{O}_2}) / pатм менее 14% (при pатм = 760 мм рт. ст.).
Эти данные соответствуют диапазону жизнедеятельности человека на уровне моря. По мере подъема в горы давление снижается, что наглядно отражают кривые атмосферного давления и парциального давления кислорода (рис. 1).
Видно, что начиная с высот 4,5–5 км давление кислорода становится ниже допустимой нижней границы давления в 90 мм рт. ст. При этом давление воздуха в альвеолах составляет 105–110 мм рт. ст., что также близко к нижней границе. По мере уменьшения давления кислорода до уровня 100 мм рт. ст. замедляются обменные процессы в организме, дыхание и сердцебиение учащаются, ухудшаются зрение и работа мозга…
Оценка времени развития кислородной недостаточности при нахождении в замкнутом объеме. В качестве примера рассмотрим несколько ситуаций с людьми, находящимися в замкнутом объеме: один человек, застрявший в лифте объемом V = 2 м3; два человека в комнате с V = 30 м3; сто человек, застрявшие в остановившемся вагоне метро с V = 250 м3.
В каждом случае найдем, за какое время Δt в замкнутом объеме V в процессе спокойного дыхания людей концентрация кислорода снижается от первоначального уровня 21% до начала кислородной недостаточности, т.е. до 14%. Подчеркнем — спокойного, поскольку при панике это время сильно снижается.
Спокойному дыханию соответствует потребление кислорода на уровне 0,25 литра в минуту. Поскольку 1 литр O2 соответствует 5 ккал энергии, то 0,25 л/мин сообщает организму за сутки 0,25 × 5 × 60 × 24 ккал = 1800 ккал энергии. Так как плотность человеческого организма около 1000 кг/м3, тело массой 70 кг занимает объем 0,07 м3, или 70 литров. Добавив одежду, получим оценку объема, вытесняемого из замкнутого помещения, в 100 литров, или 0,1 кубометра на человека.
Лифт. Свободный объем, занятый воздухом, составляет 1,9 м3. В этом объеме содержится 1,9 × 0,21 м3 = 0,4 м3 = 400 л кислорода. Признаки кислородной недостаточности развиваются, когда полезный объем кислорода уменьшится до 1,9 × 0,14 м3 = 0,27 м3 = 270 л.
Комната. Свободный объем около 30 м3. Начальный объем кислорода 6,3 м3. Минимально допустимый объем кислорода 4,2 м3. Потребление кислорода 0,5 л/мин. Время ( Δt_{text{O}_2}) = 2100 / 0,5 мин = 4200 мин, т.е. почти трое суток (!).
Вагон метро. Свободный объем около 240 м3. Начальный объем кислорода 50 м3. Минимально допустимый объем кислорода 34 м3. Потребление кислорода около 25 л/мин . Время ( Δt_{text{O}_2}) = 16000/25 мин = 640 мин, т.е. около 10 часов.
Во всех указанных случаях (если нет паники) время развития кислородной недостаточности очень велико. Однако, такой вывод находится в противоречии с житейским опытом: в метро и застрявшем лифте бывает душно и даже после сна в комнате с закрытой форточкой наутро ощущается духота.
По всей видимости, имеет место другой, более мощный механизм развития неблагоприятных ощущений в процессе дыхания при нахождении в замкнутом объеме, не связанный с потерей кислорода из воздуха. Оказывается, таким механизмом является накопление углекислого газа.
Концентрация углекислого газа в воздухе, пригодная для жизни. Диапазон допустимого содержания CO2 в воздухе составляет
( 0 < C_{text{CO}_2} = frac{p_{text{CO}_2}}{p_{атм}} < text{0,1%}. )
Отметим, что обычное содержание углекислого газа в воздухе ( C_{text{CO}_2} ) = 0,04%.
Величину принятого ограничения сверху на содержание углекислого газа (( C_{text{CO}_{2:text{max}}} ) = 0,1%) обсудим чуть позже, а сначала проведем оценки для замкнутых объемов лифта, комнаты, вагона метро и школьного класса применительно ко времени накопления концентрации углекислого газа до верхней границы. Примем, что взрослый человек обычно выдыхает углекислого газа в атмосферу ( q_{text{CO}_2}) = 0,25 л/мин.
Лифт. Свободный объем, занятый воздухом, равен 1,9 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет
( Δt_{text{CO}_2} = frac{(C_{text{CO}_{2:text{max}}}:-:C_{text{CO}_2}):·:V}{q_{text{CO}_2}} = frac{(1:·:10^{-3}:-:4:·:10^{-4}):·:text{1,9}:·:10^3 }{text{0,25}}:text{мин} = 5:text{мин}. )
Комната. Свободный объем около 30 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет ( Δt_{text{CO}_2} ) = 6 · 10−4 · 30 · 103 / (2 · 0,25) мин = 36 мин.
Вагон метро. Свободный объем около 240 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет ( Δt_{text{CO}_2} ) = 6 · 10−4 · 240 · 103 / (100 · 0,3) мин ≈ 6 мин.
Школьный класс. Приведем также оценки для школьного класса объемом около 200 м3, в котором находится 25 учеников. При уровне выдоха CO2 одним школьником 0,12 л/м (половина от взрослого) получим ( Δt_{text{CO}_2} ) = 6 · 10−4 · 200 · 103 / (25 · 0,12) мин ≈ 40 мин.
Это уже ближе к житейским ощущениям и оправдывает присутствие вентиляции на потолке лифтов, необходимость проветривания комнат в домах, в школьных классах после каждого урока, а также наличие системы вентиляции в метро.
Таким образом, именно накопление углекислого газа в замкнутых помещениях в первую очередь действует угнетающе на человека. В чем это проявляется?
В литературе отмечается два типа воздействия: кратковременное (часы) и длительное (регулярно, более нескольких часов в день). Симптомы при кратковременном воздействии при уровне вдыхаемого углекислого газа выше 0,1% — это усталость, головная боль, ухудшение концентрации внимания, плохой сон…
При длительном воздействии при уровне CO2 выше 0,1% появляются проблемы с дыхательной системой (сухой кашель, риниты…), снижение иммунитета, ухудшение работы сердечно-сосудистой системы… При уровне выше 0,2% еще больше ухудшается концентрация внимания, растет количество совершаемых ошибок и т.д. по нарастающей.
Еще одна проблема помещений без вентиляции — возможность расслоения воздуха на фракции. Поскольку углекислый газ в полтора раза тяжелее воздуха, он может опуститься ближе к полу и его концентрация там увеличится. Но процесс этот медленный, и любое движение воздуха перемешивает фракции.
Наконец, использование растений, казалось бы, должно помочь — ведь они выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Однако, это происходит только днем, а вечером и ночью (когда свежий воздух особенно нужен) растения выделяют углекислый газ, усугубляя проблему с его накоплением.
Накопление угарного газа в замкнутом помещении. Казалось бы, откуда взяться угарному газу (СО) в замкнутом помещении, если нет рядом дровяной печки или камина с неидеальной вытяжкой? Но в литературе приводятся следующие данные: наряду с углекислым газом человек выдыхает также и угарный газ — в количестве примерно 1,6 мл/ч (при нормальных условиях); предельно допустимая для человека концентрация угарного газа составляет 1 мг/м3.
Этих данных достаточно, чтобы снова провести оценки времени накопления предельной концентрации угарного газа для людей в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для этого перейдем от объема к массе образовывающегося угарного газа, воспользовавшись известным соотношением: один моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л.
В таблице 2 приведены значения времени накопления CO2 и СО до опасной концентрации, а также времени развития кислородной недостаточности в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для детей принята половинная величина выдыхаемого СО и CO2.
Таблица 2. Сопоставление времени снижения концентрации O2, накопления СО и CO2
Видно, что накопление углекислого газа примерно на порядок опаснее накопления угарного газа и еще на порядок опаснее снижения концентрации кислорода.
Мощность систем вентиляции. Как оценить мощность систем вентиляции qвент, необходимую для поддержания нормального состава воздуха? Если отвлечься от переходных процессов установления и выравнивания потоков воздуха, то конечный результат выглядит очень просто:
( q_{text{вент}} = frac{q_{text{CO}_2}}{(C_{text{CO}_{2:text{max}}}:-:C_{text{CO}_2})}. )
Так, если ( q_{text{CO}_2} ) = 0,25 литра в минуту (в этом случае человек выдыхает 15 литров CO2 в час), то при ( C_{text{CO}_{2:text{max}}} ) = 1 · 10−3 и ( C_{text{CO}_{2}} ) = 4 · 10−4 получим требуемую мощность вентиляции в 420 литров воздуха в минуту или 25 м3 в час.
Если же выдыхается 20 литров CO2 в час, то мощность вентиляции увеличивается до 33 м3 воздуха в час. А если принять для максимально допустимого значения концентрации CO2 в воздухе несколько меньшее значение 0,8 · 10−3, то мощность вырастет уже до 38 м3 воздуха в час (при 15 л CO2 в час) и 50 м3 воздуха в час (при 20 л CO2 в час).
Много это или мало? Как обеспечить такой приток свежего воздуха? Например, если приоткрыть дверь, то через каждый квадратный сантиметр щели при перепаде давлений по обе стороны двери Δp = 10 Па проходит в час один кубометр воздуха. Это означает, что при указанном Δp через сантиметровую щель в двери высотой два метра проходит 200 м3 воздуха за час.
Отметим, что принятый уровень перепада давлений 10 Па довольно мал (это 10−4 от атмосферного) и вполне может быть достигнут. Еще более мощный эффект вентиляции оказывает проветривание при открытии окон и дверей в течение хотя бы нескольких минут.
В качестве примера рассмотрим ситуацию с кислородом и углекислым газом при спасении детей в пещере Таиланда, частично затопленной водой. В 2022 году весь мир следил за спасением футбольной команды из 12 школьников и их тренера, ушедших на экскурсию в пещеру Кхао Луанг и застрявших в ней на 18 дней (23 июня — 10 июля) из-за дождей, затопивших вход в пещеру.
Они укрылись в воздушном кармане, полностью перекрытом водой и удаленном от выхода из пещеры на 5 километров. Задача заключалась в высвобождении ослабевших детей и тренера из пещеры. Ситуация осложнялась наличием узкой щели — на рисунке 2 она обозначена как «опасная точка», через которую предстояло выбираться.
В этой ситуации оказались важны все отмеченные выше особенности поведения кислорода и углекислого газа в замкнутом объеме. Для борьбы с постепенным уменьшением количества кислорода в пещере была организована доставка кислорода с помощью специального трубопровода.
Было решено, что накопление углекислого газа в пещере представляет существенно большую опасность, чем нехватка кислорода. Закачкой кислорода по трубопроводу в верхнюю часть пещеры вытесняли углекислый газ. Учитывалось также расслоение воздуха на фракции — CO2 скапливался в нижней части пещеры. Вот почему дети и тренер скрылись в верхней ее части.
Поиски ребят и подготовительные работы заняли почти две недели. За это время известный изобретатель и организатор исследований Илон Маск (космические корабли, электрокары) успел из запчастей к ракете изготовить миниатюрную подводную лодку на одного человека и доставить ее в Таиланд. Но из-за узкой щели от ее использования отказались.
Ситуация с каждым днем становилась все более сложной. Необходимо было постоянное присутствие людей, занятых на откачке воды из пещеры (иначе пещера полностью заполнилась бы водой) и установке труб для подачи кислорода. Более десятка аквалангистов доставляли в пещеру воду, еду и кислородные баллоны.
Там постоянно присутствовали врачи и те, кто готовили спасательную операцию. При дыхании этих взрослых спасателей состав воздуха ухудшался еще стремительнее. Наступил момент, когда из-за накопления углекислого газа дальше ждать было нельзя. Множество кислородных баллонов было расставлено по всему маршруту из пещеры к выходу (каждый баллон рассчитан на работу только в течение часа).
Тысяча спасателей снаружи, включая сто дайверов, начали операцию. В первый день 13 дайверов спасли четырех подростков. Во второй день 18 дайверов (и 70 аквалангистов сопровождения) спасли еще четверых. Наконец, в третий день были спасены оставшиеся четверо детей и их тренер, а также 4 человека, остававшиеся в пещере. Молодцы!
Определение парциальной плотности циановодорода при пожарах на объектах энергетики
УДК 614.841 DOI 10.25257/FE.2020.3.5-10
ПУЗАЧ Сергей Викторович Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: puzachsv@mail.ru
БОЛДРУШКИЕВ Очир Баатрович Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: avadanonstop@mail.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРЦИАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ЦИАНОВОДОРОДА ПРИ ПОЖАРАХ НА ОБЪЕКТАХ ЭНЕРГЕТИКИ
Выполнен анализ токсичного воздействия циановодорода на людей во время эвакуации при пожарах в помещениях объектов энергетики. Предложен экспериментально-теоретический подход по расчёту плотности циановодорода при пожаре, основывающийся на аналитической зависимости среднеобъёмной парциальной плотности ИСЫ от изменения среднеобъёмной парциальной плотности кислорода в помещении. Представлены результаты экспериментов по измерению парциальной плотности ИСЫ в маломасштабной экспериментальной установке в случае горения современной кабельной продукции, используемой на объектах энергетики. Результаты экспериментально-теоретических исследований позволяют определить изменение по времени среднеобъёмной парциальной плотности циановодорода при пожаре в полномасштабном помещении с использованием результатов экспериментов в маломасштабной опытной установке.
Ключевые слова: объект энергетики, циановодород, парциальная плотность, удельный коэффициент образования, экспериментальная установка, кабельная продукция.
В соответствии со статистическими данными о причинах гибели людей при пожарах, на первом месте стоит отравление токсичными продуктами горения — более чем в 70 % случаев [1]. Исследования [1-2] показали, что при горении различных материалов может выделяться от 50 до 100 химических соединений, оказывающих токсическое воздействие на организм человека. С точки зрения пожарной опасности, основным токсикантом, активно образующимся в условиях пожара, является монооксид углерода. Однако результаты судебно-медицинских экспертиз [3] и исследований токсикологической картины пожара [4-5] указывают на присутствие разных токсикантов в крови погибших в токсикологически значимых концентрациях. В работах [4, 5] отмечалось, что циановодород во многих случаях является основным токсикантом, гибель от которого происходит не реже, чем от моноксида углерода.
Для обоснования противопожарных мероприятий по предотвращению негативного воздействия токсичных продуктов горения используется математическое моделирование распространения токсичных газов в объёме рассматриваемых помещений и их воздействия на организм человека. Однако в используемых в России математических моделях рассматривается процесс распространения лишь двух токсичных газов (монооксид углерода и хлороводород), и не принимается во внимание чрезвычайно опасный токсикант — циановодород. Отсутствие циановодоро-да в расчётных методиках объясняется отсутствием
экспериментальной базы по образованию HCN при горении различных материалов.
Расчёт времени блокирования путей эвакуации циановодородом особенно важен при проверке выполнения условия безопасной эвакуации людей на объектах энергетики, так как изоляция современной кабельной продукции, используемой на вышеуказанных объектах, выделяет достаточно большое количество указанного токсиканта [11]. Поэтому определение экспериментальных значений удельных коэффициентов образования циановодорода при горении различных современных материалов и разработка методики расчёта концентраций этого газа при пожаре в помещении является актуальной научно-практической задачей.
В работе [11] представлены экспериментальные данные по парциальным плотностям и удельным величинам HCN в маломасштабной экспериментальной установке при горении кабелей коммуникационных Low smoke с оболочкой LSZH (малодымный безгалогенный компаунд), однако нет теоретического обоснования возможности использования результатов маломасштабных испытаний при расчёте парциальной плотности циановодорода при пожаре в полномасштабном помещении.
Целью работы является разработка нового экспериментально-теоретического подхода к расчёту парциальной плотности циановодорода при пожарах на объектах энергетики, учитывающего результаты испытаний в маломасштабной установке.
© Пузач С. В., Болдрушкиев О. Б., 2020
5
ОСОБЕННОСТИ ОТРАВЛЕНИЯ ЦИАНОВОДОРОДОМ В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА
О
травление циановодородом в условиях пожара — достаточно сложный процесс. В соответствии с исследованиями [4, 6] и европейским стандартом (ISO 13344: 2022 Estimation of the lethal toxic potency of fire effluents) отравление газообразным циановодородом может осуществляться ингаляционным путём и вследствие резорбции через кожу. В условиях пожара основным путём отравления является ингаляционный способ вследствие определённых факторов психофизиологического состояния эвакуирующихся (учащённое дыхание, усиленное сердцебиение, повышенная скорость вентиляции легких). Рассматриваемый токсикант имеет высокую диффузионную способность в альвеолах лёгких и достаточно быстро попадает в кровь.
В соответствии с нормативным документом (СП 11.13130.2009 «Места дислокации подразделений пожарной охраны. Порядок и методика определения») критическая парциальная плотность циановодоро-да в воздухе принята равной pHCNKp = 2×10~4 кг/м3. Однако в соответствии с исследованиями [7] раздражение слизистой глаз человека наблюдается уже при концентрации 1,11х105 кг/м3, а летальный исход происходит при концентрации 1,11×10 4 кг/м3 при 30-минутной экспозиции. Представленная в нормативном документе концентрация почти в 2 раза превышает указанную выше смертельную концентрацию, и почти в 20 — концентрацию, при которой наблюдается раздражение слизистой оболочки глаз, что в значительной степени влияет на процесс безопасной эвакуации людей.
Поэтому при расчёте концентрации цианово-дорода более обосновано будет принимать значение критической парциальной плотности, равной pHCNK = = 1,11×10 s кг/м3.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЁТА ПАРЦИАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ЦИАНОВОДОРОДА ПРИ ПОЖАРЕ В ПОМЕЩЕНИИ
Расчёт парциальной плотности циановодо-рода при пожаре в помещении основан на решении дифференциального уравнения закона сохранения массы токсичного газа для определённых термогазодинамических условий [8-10]. Получим аналитическое решение по определению парциальной плотности циановодорода от изменений парциальной зависимости плотности кислорода для условно герметичного объёма. Схема тепломассообмена в герметичном объёме представлена на рисунке 7 [9].
Дифференциальное уравнение закона сохранения массы циановодорода имеет вид [9-10]:
Рисунок 1. Схема пожара в герметичном объёме: 1 — стенки помещения; 2 — газовая смесь (продукты газификации горючего материала, горения и воздух); 3 — горючий материал
где V — объём герметичного помещения, м3; р -среднеобъёмная парциальная плотность циановодорода, кг/м3; х — время, с; г| — коэффициент полноты сгорания; — скорость газификации горючего материла, кг/с; — удельный коэффициент образования циановодорода.
Дифференциальное уравнение закона сохранения массы кислорода для герметичного объёма имеет вид [9-10]:
(2)
где р02 — среднеобъёмная парциальная плотность кислорода, кг/м3; — удельный коэффициент потребления кислорода.
Зависимость среднеобъёмной парциальной плотности циановодорода от изменения плотности кислорода получена после совместного интегрирования уравнений (1) и (2) от времени начала пожара х = 0 до рассматриваемого момента времени:
Phcn —
(р02о Ро2 HCN
(3)
(1)
где р02а — среднеобъёмная парциальная плотность кислорода в помещении перед пожаром, кг/м3.
Из выражения (3) видно, что при расчёте концентрации циановодорода необходимо использовать значения парциальной плотности кислорода, изменяемой во времени, а также значения удельных коэффициентов образования циановодорода и потребления кислорода.
Кроме того, соотношение (3) не учитывает размеры помещения. Поэтому это выражение справедливо для маломасштабных (экспериментальная установка) и полноразмерных помещений объектов энергетики.
Покажем, что выражение (3) позволяет производить расчёт концентрации циановодорода при
пожарах в полноразмерном помещении без решения дифференциального уравнения закона сохранения массы НСЫ с использованием экспериментальной зависимости плотности циановодорода от изменения плотности кислорода, полученной в маломасштабной экспериментальной установке.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 2 [10-11].
Теплоизолированная камера сгорания 7 соединена с экспозиционной камерой 2 теплоизолированным переходным рукавом 3, оснащённым устройством теплового блокирования. В камере сгорания объёмом 3×10-3 м3 установлен электронагревательный излучатель 4 с датчиком непрерывного контроля температуры и держатель образца 5 на подвижной основе. Боковая стенка камеры сгорания оснащена окном из кварцевого стекла, позволяющим наблюдать за образцом при проведении испытаний, а также шиберными отверстиями 6, используемыми для изменения режимов испытаний [10-11].
Экспозиционная камера представляет собой кубический объём (0,5887 м3) с конусообразной верхней частью. На двух боковых стенках установлены шиберные отверстия. По всему экспозиционному объёму расположены 32 низкоинерционных бронированных термопары для непрерывного контроля температуры в рассматриваемом объёме. Данные термопары имеют диапазон измерений от -40 до 1 100 °С с погрешностью не более ± 1,5t(°C).
Держатель образцов размещается на электронных весах 7, которые расположены на подвижном столе и имеют погрешность не более ± 1 мг.
Контроль над плотностью теплового потока, падающего на испытуемый образец, осуществляется с помощью водоохлаждаемого датчика типа Гордона и регистрирующего прибора с диапазоном измерений от 0 до 100 мВ. Погрешность измерения плотности теплового потока не превышает ±8 %.
Постоянный контроль состава газовоздушной среды в экспозиционной камере осуществляется с помощью многоканального газоанализатора, измеряющего концентрацию оксида углерода, с диапазоном измерений от 0 до 1% об. и допустимой погрешностью ±10%; концентрацию диоксида углерода с диапазоном измерений от 0 до 5 % об. и допустимой погрешностью ±10 %; концентрацию циановодорода с диапазоном измерении от 0 до 0,01 % об. и допустимой погрешностью ±1 %; концентрацию кислорода с диапазоном измерений от 0 до 21 % об. и допустимой погрешностью ±10 % об.
Эксперимент начинается с запуска контура нагревательного элемента и регистрирующих программ с последующей проверкой отклика датчиков. После этого ступенчато задаётся рабочая температура 766 °С и плотность падающего теплового потока 60 кВт/м2. При выходе температуры и плотности на установленные значения открывают заслонку переходного рукава и дверцу камеры сгорания, после чего предварительно взвешенный образец материала помещают в камеру сгорания и закрывают дверцу.
В ходе проведения эксперимента фиксировались масса исследуемого образца, температура
Рисунок 2. Схема модифицированной экспериментальной установки: 1 — камера сгорания; 2 — переходной рукав; 3 — экспозиционная камера; 4 — лазерный модуль; 5 — термопары; 6 — зонд отбора газа; 7 — вентилятор; 8 — фоточувствительный элемент; 9 — электронные весы; 10 — держатель образца; 11 — электронагревательный излучатель
в объёме экспозиционной камеры и концентрация газов, образующихся при горении исследуемого образца (СО, С02, НС1М, 02).
Удельный коэффициент образования циано-водорода определялся исходя из значений массовой скорости выгорания исследуемого материала и расчётных значений концентрации циановодорода в соответствии с формулой:
V dp,
HCN
HCN
|/ с/т
где V- внутренний объём установки, м3.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ И НАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
(4)
600 «С, с
Рисунок 4. Зависимости среднеобъемной парциальной плотности
циановодорода от времени горения изоляции кабелей: 1, 2, 3 — экспериментальные значения при горении кабеля ВВГнг; 4, 5,6 — экспериментальные значения при горении кабеля Low smoke: 7 — критическое значение плотности циановодорода
В
качестве исследуемых образцов были приняты образцы современной кабельной продукции, используемой на объектах энергетики: кабель силовой ВВГнг и кабель коммуникационный Low smoke.
Начальная масса исследуемых образцов составляла 0,103 кг и 0,073 кг соответственно. Размеры экспериментальных образцов в плане составляли 100×100 мм. Температура в помещении на момент проведения экспериментов составляла 22°С, давление 735 мм. рт. ст., влажность воздуха 34%.
Зависимости массовой скорости выгорания от времени при горении изоляции кабелей ВВГнг и Low smoke представлены на рисунке 3.
Зависимости среднеобъёмной парциальной плотности циановодорода от времени при горении исследуемых материалов приведены на рисунке 4.
Полученные экспериментальные значения среднеобъёмной парциальной плотности циановодорода, представленные на рисунке 4, указывают на достижение критической парциальной плотности циановодорода на начальных стадиях эксперимента при горении всех рассматриваемых
Рисунок 3. Зависимости массовой скорости выгорания от времени горения изоляции кабелей:
1, 2, 3 -экспериментальные значения при горении кабеля ВВГнг; 4, 5,6 — экспериментальные значения при горении кабеля Low smoke
Зависимости среднеобъёмной парциальной плотности от изменения среднеобъёмной плотности кислорода (Др0г =Ро2а_Ро2) ПРИ горении исследуемых образцов представлены на рисунках 5 и 6.
Полученные значения плотности циановодорода в соответствии с аналитическим решением (3) интегральной модели пожара совпадает с экспериментальными значениями для всех рассматриваемых материалов с погрешностью не более 1 %.
Таким образом, представленное выражение (3) позволяет определить изменение по времени среднеобъёмной парциальной плотности циановодорода при пожаре в полномасштабном помещении без решения дифференциального уравнения закона сохранения массы циановодорода только с учётом экспериментальных значений LHCN и ¿0г, полученных в маломасштабной экспериментальной установке, и изменения среднеобъёмной парциальной плотности кислорода. При этом зависимость парциальной плотности кислорода определяется из решения дифференциального уравнения (2) для полномасштабного помещения.
Основным недостатком измерения осреднён-ных по времени величин LHCN и Ь0г является существенное влияние на них времени проведения эксперимента [10].
По этой причине, а также при отсутствии данных по величинам удельных коэффициентов образования НСЫ и поглощения 02 можно использовать только экспериментальные зависимости рНС1У| =/(Др0г). Погрешность такого подхода не превышает 1 % {рис. 5 и 6) для рассмотренных в статье образцов кабелей.
5 соответствии с результатами проведённых экспериментов, авторы пришли к заключению, что при горении современной кабельной продукции средне-объёмная парциальная плотность циановодорода достигает критического значения на начальных стадиях эксперимента для всех исследуемых образцов.
Аналитическое решение (3) интегральной модели пожара с использованием экспериментальных значений удельных коэффициентов образования НСЫ
Рнс»’ кг/»3
ДрС1_. КГ/М3
Рисунок 5. Зависимость среднеобъёмной плотности циановодорода от изменения среднеобъемной плотности кислорода при горении изоляции кабеля Low smoke’.
1, 2. 3 — расчёт по формуле (3); О, О — экспериментальные значения
и поглощения кислорода с погрешностью не более 1 % совпадает с экспериментальными значениями парциальной плотности циановодорода для всех рассматриваемых материалов (рис. 5 и 6).
Предложенный экспериментально-теоретический подход к расчёту парциальной плотности циановодорода при пожаре в полномасштабном помещении позволяет использовать экспериментальные
ЛИТЕРАТУРА
1. Иличкин В. С. Токсичность продуктов горения полимерных материалов. Принципы и методы определения. СПб: Химия,1993. 136 с.
2. Исаева Л. К. Пожары и окружающая среда. Екатеринбург: Калан, 2001. 222 с.
3. Белешников И. Л. Судебно-медицинская оценка содержания цианидов в органах и тканях людей, погибших в условиях пожара : автореф. дис. … канд. мед. наук. СПб: Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. академика И. П. Павлова, 1996. 24 с.
4. Pauluhn ]. Acute inhalation toxicity of carbon monoxide and hydrogen cyanide revisited: Comparison of models to disentangle the concentration x time conundrum of lethality and incapacitation // Regulatory Toxicology and Pharmacology. 2022. Vol. 80. Pp. 173-182. DOI: 10.1016/j.yrtph.2022.06.017
5. Anseeuw K., Delvau N., BuriHo-Putze G., De Iaco F., Geldner G., Holmstrom P., Lambert Y., Sabbe M. Cyanide poisoning by fire smoke inhalation: a European expert consensus 11 European Journal of Emergency Medicine. 2022. Vol. 20. Iss. 1. Pp. 2-9 DOI:10.1097/MEJ.0b013e328357170b
6. Orloff K. G., Kaplan В., Kowalski P. Hydrogen cyanide in ambient air near a gold heap leach field: Measured vs. modeled
P„„ КГ/М3
АрГ1. кг/м3
Рисунок 6. Зависимость среднеобъёмной плотности циановодорода от изменения среднеобъёмной плотности кислорода при горении изоляции кабеля ВВГнг:
1, 2. 3 — расчёт по формуле (3); О, □ О — экспериментальные значения
зависимости среднеобъёмной плотности циановодорода от изменения среднеобъёмной парциальной плотности кислорода, полученные в маломасштабной экспериментальной установке. При этом отпадает необходимость решения дифференциального уравнения закона сохранения массы циановодорода, в которое входит величина ¿НС№ существенно зависящая от времени осреднения.
concentrations //Atmospheric Environment. 2006. Vol. 40. Iss. 17. Pp. 3022-3029. D01:10.1016/j.atmosenv.2005.09.089
7. Kaplan H., Hartzell G. Modeling of toxicological effects of fire gases: I. Incapacitation effects of narcotic fire gases 11 Journal of Fire Sciences. 1984. Vol. 2. Iss. 4. Pp. 286-305. D01:10.1177/073490418400200404
8. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. Учебное пособие. М.: Академия ГПС МВД России, 2000. 118 с.
9. Пузач С. В., Пузач В. Г., Доан В. М. К определению показателя токсичности продуктов горения веществ и материалов в помещении // Пожаровзрывобезопасность. 2022. Т. 20, № 4. С. 4-12.
10. Пузач С. В., Сулейкин Е. В. Новый теоретико-экспериментальный подход к расчёту распространения токсичных газов при пожаре в помещении // Пожаровзрывобезопасность. 2022. Т. 25. № 2. С. 13-20. DOI: 10.18322/PVB.2022.25.02.13-20
11. Пузач С. В., Болдрушкиев О. Б. Определение удельного коэффициента образования и критической парциальной плотности циановодорода и моноксида углерода при пожаре в помещении // Пожаровзрывобезопасность. 2022. Т. 28. № 5. С. 19-26. DOI: 10.18322/PVB.2022.28.05.19-26
Материал поступил в редакцию 10 июля 2020 года.
Sergey PUZACH
Grand Doctor in Engineering, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail: puzachsv@mail.ru
Ochir BOLDRUSHKIEV
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: avadanonstop@mail.ru
DETERMINATION OF HYDROGEN CYANIDE PARTIAL DENSITY AT POWER FACILITIES FIRES
ABSTRACT
Purpose. Development of a new experimental -theoretical approach for calculating hydrogen cyanide at power facilities fires.
Methods. The differential equations of hydrogen cyanide and oxygen mass conservation laws in hermetic volume are solved simultaneously. An experimental method to study modern cable products is used.
Findings. Analytical dependence of hydrogen cyanide partial density on alteration of oxygen density in hermetic volume has been obtained.
Experimental dependences on the combustion process duration of hydrogen cyanide partial density for current cable products have been obtained.
Theoretical dependence of hydrogen cyanide partial density on alteration of oxygen partial density has been compared with experimental data. It has been shown that the proposed formula has sufficient accuracy.
Research application field. The results of the studies are aimed at enhancing timing accuracy for blocking evacuation routes using hydrogen cyanide at power facilities.
Conclusions. The proposed experimental-theoretical approach to hydrogen cyanide partial density calculation in case of fire in full-scale premises allows using experimental dependences of hydrogen cyanide average volume density on alteration of oxygen average volume density obtained in a small-scale experimental installation.
Key words: power facility, hydrogen cyanide, partial density, specific coefficient of formation, experimental installation, cable products.
REFERENCES
1. Ilichkin V. S. Toksichnost produktov goreniya polimernykh materialov. Printsipy i metody opredeleniya [Toxicity of combustion products of polymeric materials. Principles and methods of determination]. St. Petersburg, Khimia Publ., 1993. 136 p.
2. Isaeva L.K. Pozhary i okruzhayushchaya sreda [Fires and the environment]. Yekaterinburg, Kalan, 2001. 222 p.
3. Beleshnikov I.L. Sudebno-meditsinskaya otsenka soderzhaniya tsianidov v organakh i tkanyakh lyudey, pogibshikh v usloviyakh pozhara: avtoref. dis…. kand. med. nauk [Forensic medical assessment of the content of cyanide in the organs and tissues of people who died in a fire. Abstr. dr. med. sci. diss.]. St. Petersburg, Saint Petersburg State Medical University n.a. academician I.P. Pavlov, 1996. 24 p. (in Russ.)
4. Pauluhn J. Acute inhalation toxicity of carbon monoxide and hydrogen cyanide revisited: Comparison of models to disentangle the concentration x time conundrum of lethality and incapacitation. Regulatory Toxicology and Pharmacology. 2022. Vol. 80. Pp. 173-182. D0I:10.1016/j.yrtph.2022.06.017
5. Anseeuw K., Delvau N., Burillo-Putze G., De Iaco F., Geldner G., Holmstrom P., Lambert Y., Sabbe M. Cyanide poisoning by fire smoke inhalation: a European expert consensus. European Journal of Emergency Medicine. 2022. Vol. 20. Iss. 1. Pp. 2-9 D0I:10.1097/MEJ.0b013e328357170b
6. Orloff K. G., Kaplan B., Kowalski P. Hydrogen cyanide in ambient air near a gold heap leach field: Measured vs. modeled
concentrations. Atmospheric Environment. 2006. Vol. 40. Iss. 17. Pp. 3022-3029. D0I:10.1016/j.atmosenv.2005.09.089
7. Kaplan H., Hartzell G. Modeling of toxicological effects of fire gases: I. Incapacitation effects of narcotic fire gases. Journal of Fire Sciences. 1984. Vol. 2. Iss. 4. Pp. 286-305. D0I:10.1177/073490418400200404
8. Koshmarov YuA. Prognozirovaniye opasnykh faktorov pozhara v pomeshchenii [Forecasting of fire hazards in the case of indoor fire]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2000. 118 p.
9. Puzach S.V., Puzach V.G., Doan V.M. To the determination of the toxicity index of the combustion products of substances and materials in the room. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2022, vol. 20, iss. 4, pp. 4-12 (in Russ.).
10. Puzach S.V., Suleykin E.V. A new theoretical and experimental approach to calculating the spread of toxic gases in a fire in a room. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2022, vol. 25, iss. 2, pp. 13-20 (in Russ.). D0I:10.18322/PVB.2022.25.02.13-20.
11. Puzach S.V., Boldrushkiev O.B. Defining the specific formation coefficient and the critical partial density of hydrogen cyanide and carbon monoxide at the fire indoors. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2022, vol. 28, iss. 5, pp. 19-26 (in Russ.). D0I:10.18322/PVB.2022.28.05.19-26
10
© Puzach S., Boldrushkiev O., 2020