ТЕПЛОВОЙ ПОТОК

Тепловой поток

ТЕПЛОВОЙ ПОТОК — поток энергии (в форме теплоты), обусловленный ее самопроизвольным, необратимым переносом в пространстве от более нагретых тел (участков тела) к менее нагретым [2].

Тепловой поток — количество тепловой энергии, излучаемой, передаваемой или поглощаемой единицей площади поверхности за единицу времени.

Примечание:

Выражается в Ваттах на квадратный метр. (ИСО 13943:2017)

Тепловой поток через X минут (HF-X), кВт/м2 — тепловой поток, воздействующий на испытательный образец в каком-либо месте, начиная с которого фронт пламени в течение времени испытания X мин наиболее удален от нулевой линии испытательного образца. (ГОСТ Р ИСО 9239-2014)

Тепловой поток, кВт/м2 — тепловая мощность, воздействующая на единицу площади. Тепловой поток составляют как тепловой поток от излучения, так и тепловой поток от конвекции. (ГОСТ Р ИСО 9239-2014)

Тепловой поток является важнейшей характеристикой пожара (см. ПОЖАР), определяющей нагрев и возгорание пожарной нагрузки (см. ПОЖАРНАЯ НАГРУЗКА).

Тепловой поток равен количеству теплоты, проходящему через заданную и нормальную к направлению распространения теплоты поверхность в единицу времени [3].

где:

- n_o – единичный вектор нормальный к изотермической поверхности;

- t – время

Тепловой поток характеризует интенсивность теплообмена во времени или мощность теплообмена, и поэтому его измеряют в Джоулях в секунду или Ваттах (Дж/с = Вт).

При стационарном режиме теплообмена и при одинаковых условиях теплообмена на поверхности тела тепловой поток не изменяется во времени. Его рассчитывают по формуле:

Q=Q_t/t

В расчетах теплообмена используют три удельных тепловых потока: поверхностную плотность теплового потока, линейную плотность теплового потока и объемную плотность теплового потока [3].

Поверхностная плотность теплового потока (q, Вт/м²) — тепловой поток, отнесенный к площади поверхности тела:

где:

F – площадь поверхности теплообмена, м².

В стационарном режиме и при одинаковых условиях теплообмена на всей поверхности тела:

Зная поверхностную плотность теплового потока, можно рассчитать тепловой поток и количество теплоты за время теплообмена t:

Q = q*F и Q_t = q*F*t = Q*t

Линейная плотность теплового потока (q_l, Вт/м) — тепловой поток, отнесенный к длине протяженного тела с произвольным, но постоянным по длине поперечным сечением:

где:

l – длина протяженного тела, м.

Зная линейную плотность теплового потока, можно рассчитать тепловой поток и количество теплоты за время теплообмена t:

Q = q_l*l и Q_t = q_l*l*t = Q*l

Объемная плотность теплового потока (q_v, Вт/м²) — тепловой поток, отнесенный к объему тела.

Поверхностная плотность теплового потока равна количеству теплоты, проходящему через заданную и нормальную к направлению распространению теплоты единичную площадку в единицу времени или тепловому потоку, проходящему через заданную единичную площадку.

В стационарном режиме и при одинаковых условиях теплообмена на всей поверхности тела:

Зная поверхностную плотность теплового потока, можно рассчитать тепловой поток и количество теплоты за время теплообмена:

Q = q_v*V и Q_t = q_v*V*t = Q*t 

Линейная плотность теплового потока равна тепловому потоку, проходящему через боковую поверхность единичной длины протяженного тела с произвольным, но постоянным по длине поперечным сечением.

Зная линейную плотность теплового потока, можно рассчитать тепловой поток и количество теплоты за время теплообмена t.

Объемная плотность теплового потока характеризует мощность действия внутренних источников (стоков) теплоты и равна количеству теплоты, которое выделяется или поглощается внутри единичного объема тела в единицу времени.

Объемная плотность теплового потока — величина скалярная и не имеет направления. Поэтому удельную величину q_v — теплоту, выделяемую (поглощаемую) в единичном объеме за единицу времени — в принципе, нельзя называть удельным тепловым потоком. Однако такой термин в теплотехнике используют для единства терминологии удельных тепловых потоков.

В стационарном режиме теплообмена и при условии равномерного распределения внутренних источников (стоков) теплоты в объеме тела можем записать:

Зная q_v, можно рассчитать мощность теплообмена (тепловой поток) и количество теплоты за время действия источника t.

Внутренние источники (стоки) теплоты могут быть различной геометрической формы (точечной, линейной, плоской и т. п.) и действовать в разных областях тела в различные моменты времени с разной интенсивностью. Объемную плотность теплового потока q_v используют в расчетах теплообмена, возникающего вследствие протекания процессов другой физической природы (ядерных, электрических, механических, химических и ряда других процессов) с выделением или поглощением теплоты.

Поэтому объемную плотность теплового потока q_v используют в расчетах теплообмена в ядерном реакторе, при прохождении электрического тока по проводнику с большим сопротивлением, при химических реакциях и т. п. Величина q_v может быть как положительной (теплота выделяется), так и отрицательной (теплота поглощается) [3].

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — электромагнитное излучение, испускаемое пламенем (см. ГОРЕНИЕ) на пожаре.

Тепловое излучение представляет собой перенос энергии электромагнитными волнами в относительно узком спектральном интервале, который включает видимый свет и часть инфракрасной области, создающее тепловой поток от очага пожара к окружающим объектам при длинах волн в интервале 0,4–100 мкм. Для реальных пожаров тепловое излучение является доминирующей составляющей теплообмена.

Тепловое излучение, воздействующее на людей и материальные ценности, является первичным опасным фактором пожара (см. ОПАСНЫЕ ФАКТОРЫ ПОЖАРА).

При анализе воздействия теплового излучения следует различать случаи импульсного и длительного воздействия. В первом случае критерием поражения является доза излучения D (например, воздействие огненного шара), во втором — критическая интенсивность теплового излучения q_CR (например, воздействие пожара пролива).

Для поражения человека тепловым излучением величина пробит-функции описывается формулой:

Где t - эффективное время экспозиции, с;

Величина эффективного времени экспозиции t определяется по формулам:

-       для огненного шара

-       для пожара пролива

Условная вероятность поражения человека, попавшего в зону непосредственного воздействия пламени пожара пролива или факела, принимается равной 1.

Для пожара-вспышки следует принимать, что условная вероятность поражения человека, попавшего в зону воздействия высокотемпературными продуктами сгорания газопаровоздушного облака, равна 1; за пределами этой зоны условная вероятность поражения человека принимается равной 0 [1]

ЗОНА ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ — область пространства, примыкающая к зоне горения, в которой при пожаре возможно воздействие пламени, высокотемпературных продуктов горения и теплового излучения.

Передача теплоты в окружающую среду осуществляется тремя способами:

-       конвекцией;

-       излучением;

-       теплопроводностью [2].

Пламя можно разделить на три основные зоны (см. Рис. 1 Основные зоны пламени):

Рис. 1 Основные зоны пламени

Зона теплового воздействия — пространство вокруг зоны горения, где температура достигает значений, при которых разрушаются окружающие предметы и присутствует высокая опасность для человека.

В этой зоне происходит интенсивный теплообмен между зоной горения и окружающим пространством, в том числе между окружающими конструкциями зданий и сооружений .

При пожаре внутри зданий интенсивность тепломассообмена зависит от размеров и расположения проемов в ограждающих конструкциях, высоты помещений, количества и свойств пожарной нагрузки [4].

Литература:

1.      Приказ МЧС РФ от 10 июля 2009 г. № 404 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах»

2.     Энциклопедия «Пожарная безопасность», ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2019 г.

3.      Бухмиров В.В., «Тепломассообмен»: Учеб. пособие / ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». — Иваново, 2014. — 360 с.

4.      Сайт: https://propb.ru/ — «Портал про пожарную безопасность», Статья: «Общие сведения о горении: классификация пожаров и опасных факторов пожара»