В этой статье мы подробно разберем механизмы теплообмена. Это важно знать и понимать при работе над расчетом пожарного риска, особенно в контексте этапа моделирования пожара при работе в программном комплексе Fenix+.
Теплообмен — это физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к менее горячему, что является следствием второго закона термодинамики, и этот процесс является необратимым.
Термодинамическое равновесие — это состояние системы, при котором остаются неизменными во времени макроскопические величины этой системы, такие как температура, давление, объем, энтропия, в условиях изолированности от окружающей среды.
Какие бывают механизмы теплообмена?
Всего их три:
- Теплопроводность
- Конвекция
- Тепловое излучение
Теплопроводность — это способность материальных тел проводить тепловую энергию от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путем хаотического движения частиц тела, например, атомов, молекул или электронов. Теплопроводность влияет на теплообмен при пожаре, в частности, на прохождение тепла сквозь преграды.
Конвекция — это вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями или потоками самого вещества.
Существует так называемая естественная конвекция, который возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова.
Например, все погодные явления являются следствием конвекции в атмосфере Земли. При вынужденной или принудительной конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил, насосом, лопастями вентилятора и т.д. Вынужденная конвекция имеет место, например, при работе противодымной вентиляции. Конвекция определяет движение нагретых газов при пожаре и сильнейшим образом влияет на тепло и массообмен при пожаре.
Тепловое излучение — это электромагнитные волны, испускаемые телами за счет их внутренней энергии. Интенсивность определяется температурой и коэффициентом излучения материала. Падающее на предмет тепловое излучение в некоторой пропорции отражается, поглощается и проходит насквозь. Это зависит от коэффициента отражения и показателя поглощения материала.
Посредством теплового излучения в окружающую среду передается до 40% мощности, выделяемой в процессе горения. Это излучение может поглощаться окружающими телами и вызывать их интенсивный нагрев. Наряду с конвекцией тепловое излучение является важнейшим механизмом теплообмена при пожаре. Интересно отметить, что тепловое излучение почти не нагревает воздух.
Горячие потоки воздуха над пламенем поднимаются вверх. Это конвекция. В то же время тепловое излучение почти не греет воздух, поскольку воздух прозрачный и он почти не поглощает света теплового излучения. Поэтому сбоку от пламени воздух может быть довольно холодным. Однако само тепловое излучение от пламени может иметь высокую интенсивность и представлять опасность.
Например, туристов, сидящих рядом с костром, греет тепловое излучение, а воздух между костром и туристами имеет обычную уличную температуру. При этом именно раскаленные потоки воздуха поднимаются вверх, это конвекция, но туристов эти потоки воздуха не касаются. Их почувствовать можно только, если поместить руки непосредственно над костром.
А сейчас давайте рассмотрим некоторые частные случаи того, как механизмы теплообмена и параметры материалов влияют на результаты моделирования пожаров.
Первый сценарий состоит из двух смежных комнат, в одной из которых расположен очаг пожара. Двери открыты, есть выход на улицу, между комнатами, дверь тоже открыта.
Справа внизу показан результат моделирования горения данного очага в программе SmokeView, конкретно показан вертикальный срез температуры на котором видно, что горячий воздух сосредоточен преимущественно в верхней части левой комнаты, а снизу в этой комнате срез показан синим цветом, это значит, что воздух там относительно холодный.
При этом через дверной проем между комнатами горячий воздух выходит в комнату справа, но при этом он выходит не через весь дверной проем, а только через его верхнюю часть. Все это поднимается снова вверх, при этом нижний слой воздуха также достаточно холодный.
Более того, по нижнему слою воздух поступает в помещение с очагом пожара, потому что очагу пожара требуется кислород для горения. И получается, что воздух в левом помещении двигается по дуге.
Снизу, справа налево воздух поступает в помещение, а сверху, слева направо он помещение покидает в уже разогретом состоянии. В принципе, данный пример иллюстрирует двухзонную модель, когда сверху находится зона нагретых газов и дыма, а снизу находится зона относительно холодного воздуха, и через нее к очагу горения поступает кислород.
Визуально посмотреть данный пример можно в рамках курса "Моделирование пожара"
Теперь давайте поговорим про разные типы материалов.
Начнем с инертного материала. Инертный материал находится при фиксированной температуре. Он не нагревается при пожаре, поэтому эффективно забирает тепло у газов, соприкасающихся с поверхностью конструкции. Фактически он выступает как холодильник для воздуха в помещении. Можно считать, что у этого материала бесконечно высокая теплопроводность.
Материалы с низкой теплопроводностью (например, гипсокартон). Это материал с низкой теплопроводностью, он обладает неплохими теплоизоляционными свойствами по сравнению с материалами с очень высокой теплопроводностью. Поверхность такого материала довольно быстро нагревается до температуры окружающего воздуха и в дальнейшем тепло таким материалом отводится медленно.
Материал с высоким коэффициентом отражения (например, полированный алюминий). Материал с малым коэффициентом излучения хорошо отражает тепловое излучение. По сути, такой материал работает как зеркало, отражающее тепловое излучение обратно в помещение. Например, мы можем наблюдать, что в переносных холодильниках стенки часто фольгированные. Это все делается для того, чтобы удерживать тепловое излучение внутри какого-то объема. То, что у этого материала высокий коэффициент отражения, следует из того, что у него маленький коэффициент излучения.
Прозрачный материал (например, стекло). Материал с малым показателем поглощения хорошо пропускает тепловое излучение через себя насквозь. По сути, такой материал представляет препятствие только для нагретых газов, а тепловое излучение он выпускает беспрепятственно. Поскольку прозрачные материалы пропускают тепловое излучение наружу, то находиться за прозрачной перегородкой от очага пожара может быть небезопасно, при том, что сам воздух может иметь невысокую температуру.
Прогрев стен насквозь (например, материал сталь). Механизмы теплообмена позволяют нам говорить еще об одном феномене, таком как прогрев стен насквозь. Стены и перекрытия малой толщины или сделанные из материалов с высокой теплопроводностью могут прогреваться насквозь. Температура и тепловой поток в соседнем помещении могут повышаться.
Рассмотрим сводную таблицу, в которой сведены результаты моделирования пожара в рассматриваемом помещении при разных материалах, которое мы проводили при написании статьи (посмотреть пример с данными в формате видео вы можете на курсе "Моделирование пожара").
Самое низкое значение температуры и теплового потока наблюдается при инертном материале стен, то есть фактически в случае, когда мы не учитываем реальные материалы, а считаем все перегородки и перекрытия просто находящимися при фиксированной изначальной уличной температуре, например 20 градусов Цельсия. И сравнивая с остальными случаями, мы понимаем, что такие результаты моделирования дают заниженные значения температуры теплового потока.
На втором месте по удержанию тепла в помещении находится стекло. Стекло прозрачно, поэтому оно плохо удерживает тепловой поток и большая часть энергии пожара выходит наружу с помощью излучения. Но в то же время само стекло все же нагревается горячими газами, поэтому с точки зрения теплопроводности оно менее эффективно отводит тепло из помещения, чем гипотетический инертный материал. Поэтому и температура и тепловой поток в случае даже помещения со стеклянными стенами оказался выше, чем в случае инертного материала.
Еще более высокое значение температуры и теплового потока оказалось в помещении с гипсокартоновыми стенами. Это произошло потому, что данный материал и нагревается (то есть не так быстро отводит тепло), и поглощает тепловое излучение, вследствие чего, опять же, нагревается. Поэтому и тепловое излучение тоже не теряется, оно влияет на нагрев стен.
И самое высокое значение температуры теплового потока наблюдалось, когда стены были отражающие. Отражающие стены очень хорошо удерживают тепловой поток в помещении, и в то же время, обладая конечной теплопроводностью, они также нагреваются, поэтому скорость отвода тепла с помощью теплопроводности не бесконечно высока, в отличие от инертности.
Теперь сделаем выводы:
- Теплофизические свойства материалов существенно влияют на результаты моделирования пожара. В частности, за счет теплопроводности, конструкции могут забирать тепло у воздуха и охлаждать его. За счет теплопроводности стены могут прогреваться насквозь, соответственно и температура и тепловой поток в соседнем помещении могут повышаться. Этот эффект особенно значим для тонких стен и стен из материалов с высокой теплопроводностью.
- За счет отражения теплового излучения стены из отражающих материалов удерживают тепло в помещении. Вследствие прозрачности для теплового излучения стены из прозрачных материалов удерживают тепло не так хорошо, как стены из непрозрачных материалов. И интенсивность теплового потока слабо уменьшается перегородками из прозрачных материалов.
- Конвекция, тепловое излучение и теплопроводность определяют теплообмен при пожаре. Механизмы теплообмена существенно влияют на динамику опасных факторов пожара.
- Теплофизические параметры материалов также влияют на теплообмен и динамику опасных факторов пожара.
- При моделировании пожара, параметры материалов должны быть корректно заданы
P.S. Изучить детали о программном комплексе Fenix+ для решения задач в области моделирования пожара вы можете на нашем сайте по ссылке https://mst.su/fenix3/