Методы измерений, контроля, диагностики 68 Приборы и методы измерений, № 1 (8), 2014 УДК 614.842.4 ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЗДУХА В ВЕРХНЕЙ ЗОНЕ ПОМЕЩЕНИЯ ПРИ ГОРЕНИИ БУМАЖНОЙ ПРОДУКЦИИ Зуйков И.Е.1, Антошин А.А.1, Есипович Д.Л.2., Олефир Г.И.1 1 Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Республика Беларусь 2 Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь, г. Минск, Республика Беларусь e-mail: aantoshyn@mail.ru Проведены экспериментальные исследования динамики температуры, коэффициента пропускания и рассеивания вперед излучения дымом под потолком помещения при горе- нии бумажной продукции. Изучено поведение основных признаков пожара на ранней стадии, характерное для данного типа пожарной нагрузки. Ключевые слова: рассеивание излучения, оптическая плотность, признаки пожара, пламенное горение, тление бумаги. Введение В пожарных извещателях, серийно выпус- каемых в настоящее время и широко применя- емых в системах пожарной сигнализации, ис- пользуются различные физические принципы обнаружения признаков пожара. Массовое рас- пространение получили пожарные извещатели, контролирующие изменение следующих физи- ческих характеристик воздуха в помещении в зоне установки извещателя: температуры, про- пускания излучения воздушной средой, интен- сивности излучения, рассеянного в среде с про- дуктами горения. При этом как абсолютные значения указанных характеристик, так и дина- мика их изменения существенно зависят от многих факторов (количества, типа и состояния горючего вещества, условий горения и др.). Неучет этих зависимостей может приводить к тому, что система пожарной сигнализации бу- дет подвержена ложным срабатываниям либо будет неспособна обнаружить конкретный по- жар на ранней стадии его развития. Эти осо- бенности в принципе могут быть учтены при разработке алгоритмов обнаружения пожара, что положительно скажется на надежности си- стемы пожарной сигнализации. Таким образом, исследование поведения физических характе- ристик окружающей среды при моделировании пожаров для различных горючих веществ явля- ется актуальной задачей. Одним из широко распространенных го- рючих материалов является бумага и бумажная продукция. В реальных пожарах зачастую именно бумага является первичной горючей средой. Известно, что характеристики среды под потолком помещения в случае горения бу- маги отличаются от соответствующих характе- ристик при горении других материалов. Например, в работе [1] приводятся результаты сравнительного исследования при горении га- зетной бумаги, дерева, полистирола и бензина. Отмечено, что динамика изменения признаков пожара при горении бумаги существенно отли- чается от случаев горения других материалов. Но в целом в литературе отсутствует информа- ция о систематических исследованиях особен- ностей поведения оптических параметров сре- ды при горении различной бумажной про- дукции, нет данных о характере изменения свойств среды под потолком и при других ти- пах пожаров (например, при беспламенном го- рении, т.е. тлении). А именно с тления начина- ются многие пожары, где бумага является пер- вичной горючей средой. Целью работы являлось определение по- ведения основных признаков пожара на ран- ней стадии при горении бумаги в помещении, Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 1 (8), 2014 69 характерного для данного типа пожарной нагрузки. Методика эксперимента В работе приводятся результаты исследо- ваний изменения во времени температуры воз- духа под потолком помещения, коэффициентов пропускания и интенсивности рассеянного впе- ред оптического излучения воздухом с продук- тами горения в случаях различных режимов горения (пламенное горение и тление) для пис- чей бумаги и упаковочного картона. Исследо- вания проводились на установке «Дымовой ка- нал», позволяющей моделировать пожары в условиях, приближенных к реальным пожарам в бытовых помещениях [2]. Эта установка включает в себя многоканальный прибор для измерения температуры измеритель-регулятор ИР «Сосна 004», прибор для контроля скорости газовых потоков (TESTO 405-VI) и оптико- электронное устройство для измерения коэф- фициентов пропускания и интенсивности рас- сеянного вперед оптического излучения [3]. Температура воздуха измерялась под по- толком дымовой камеры (высота потолка 2,4 м) на оси пожара. Начальная температура воздуха в экспериментах составляла 18 С. На расстоя- нии 4 м от оси пожара в дымовом канале про- водились измерения коэффициента пропуска- ния и интенсивности рассеянного дымом излу- чения. Расстояние, которое проходило зонди- рующее излучение в дымовом канале, состав- ляло 600 мм. Скорость воздушного потока кон- тролировалась на входе в канал и в экспери- ментах была равна примерно 0,2 м/с. Пламенное горение бумаги осуществля- лось путем поджога двадцати листов писчей бумаги формата А4 плотностью 20 г/м, распо- ложенных на горизонтальной поверхности вее- ром. Бумага, сложенная в стопку, не поддержи- вала самостоятельного горения. Кроме того, исследовалось пламенное горение двадцати листов бумаги того же качества, но предвари- тельно смятой. Пламенное горение упаковоч- ного картона изучалось при поджоге трех об- разцов картона размером 230 × 400 мм2 каждый с общей массой 325 г, расположенных под не- большим углом к горизонтали. Для моделиро- вания режима тления десять листов писчей бу- маги размещались на поверхности не включен- ной электроплиты мощностью 2 кВт. После этого электроплита включалась и ее поверх- ность нагревалась за 10 мин до температуры 600 С. Экспериментальные результаты и их обсуж- дение На рисунках 1–3 представлены зависимо- сти от времени температуры под потолком по- мещения, интенсивности рассеянного излуче- ния и коэффициента пропускания среды в слу- чае различных режимов горения (пламенное горение и тление) писчей бумаги. Время, с Рисунок 1 – Зависимости от времени температуры под потолком помещения (а), интенсивности рассеянного излучения (б) и коэффициента пропускания среды (в) в случае пламенного горения мятой бумаги Из представленных зависимостей видно, что динамика изменения характеристик среды под потолком существенно зависит от качества бу- мажной продукции и типа горения. Так, горение мятой бумаги вызывает на порядок меньшее из- менение коэффициента пропускания и интенсив- ности рассеянного излучения, чем горение того же количества гладкой бумаги. Изменения этих величин максимальны через 240 с (мятая бумага) и через 480 с (гладкая бумага). При этом темпера- Методы измерений, контроля, диагностики 70 Приборы и методы измерений, № 1 (8), 2014 тура достигает максимального значения 37 ºС (рисунок 1) и 26,5 ºС (рисунок 2) за время при- мерно 140 с после начала горения. Таким образом, наибольшие изменения оп- тических характеристик среды под потолком происходят после погасания пламени, когда тем- пература в помещении начинает снижаться. Удельная оптическая плотность не превышала 0,2 дБ/м (мятая бумага) и 1,89 дБ/м (гладкая бумага). Время, с Время, с Рисунок 2 – Зависимости от времени температуры под потолком помещения (а), интенсивности рассеянного излучения (б) и коэффициента пропускания среды (в) в случае пламенного горения гладкой бумаги Рисунок 3 – Зависимости от времени температуры под потолком помещения (а), интенсивности рассеянного излучения (б) и коэффициента пропускания среды (в) в случае тления бумаги Время, с Рисунок 4 – Зависимости от времени интенсивности рассеянного излучения и коэффициента пропускания среды под потолком помещения при пламенном горении упаковочного картона С Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 1 (8), 2014 71 В отличие от пламенного горения, в случае тления в два раза меньшего количества бумаги, а значит и меньшей концентрации продуктов горения, удельная оптическая плотность дости- гала значения 4 дБ/м через 520 с. В первые 260 с, пока температура бумаги не достигла значения температуры тления, происходит медленное изменение оптических характери- стик среды под потолком, удельная оптическая плотность при этом достигает значения 0,2 дБ/м. Достигнув температуры тления, за последующие 260 с удельная оптическая плот- ность увеличивается до 4 дБ/м. Медленный не- значительный рост температуры до момента самовоспламенения бумаги в основном опреде- ляется тепловыделением электроплиты. Одно- временно быстро нарастает интенсивность рас- сеянного излучения. После самовоспламенения бумаги начинается быстрый рост температуры и одновременно уменьшается удельная оптиче- ская плотность и интенсивность рассеянного излучения. На рисунке 4 приведены зависимости от времени интенсивности рассеянного излучения и коэффициента пропускания среды в случае пламенного горения упаковочного картона. Из представленных результатов видно, что коэф- фициент пропускания достигает минимума (0,67) одновременно с максимумом интенсив- ности рассеянного света (15 отн. ед.) через 180 с горения. После затухания картона оба параметра постепенно принимают начальные значения через 15 мин. Заключение Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы: – пламенное горение бумаги, являющееся одним из наиболее опасных и быстро развива- ющихся пожаров, не сопровождается в начале горения (вплоть до прекращения пламенного горения) существенным изменением оптиче- ских характеристик воздуха под потолком по- мещения. Изменению оптических характери- стик предшествует заметное изменение темпе- ратуры. В этом случае наиболее информатив- ной характеристикой, свидетельствующей о наличии пожара, является температура; – при пожарах, начинающихся с тления бумаги, именно рассеяние излучения и коэф- фициент пропускания (либо оптическая плот- ность) среды являются теми характеристиками, по которым можно выявить пожар на раннем этапе. Таким образом, для обнаружения пожара на этапе пламенного горения с помощью ши- роко используемых в настоящее время дымо- вых пожарных извещателей, работающих как на принципе регистрации изменения коэффи- циента пропускания среды, так и на принципе регистрации рассеянного излучения, требуется регистрация малых сигналов. Для улучшения эффективности обнаружения таких пожаров необходимы извещатели, регистрирующие из- менение температуры, например комбиниро- ванные пожарные извещатели с алгоритмом работы, учитывающим обнаруженные законо- мерности. Список использованных источников 1. Bukowski, R.W. Fire Alarm Signaling Systems / R.W. Bukowski, W.D. Moore. – National Fire Protection Association, 2003. – 450 p. 2. Зуйков И.Е. Установка, моделирующая пожа- ры в начальной стадии развития / И.Е. Зуй- ков, А.А. Антошин, Г.И. Олефир, И.Б. Треть- як // Сборник научных трудов «Достижения физики неразрушающего контроля и техниче- ской диагностики». – Минск, Институт при- кладной физики НАН Беларуси, 2011. – С. 197–202. 3. Зуйков, И.Е. Контроль концентрации дыма при проведении испытаний дымовых оптических точечных пожарных извещателей / И.Е. Зуй- ков, А.А. Антошин, Г.И. Олефир, Д.Л. Есипо- вич // Чрезвычайные ситуации: предупрежде- ние и ликвидация. – 2009. – № 2(26). Методы измерений, контроля, диагностики 72 Приборы и методы измерений, № 1 (8), 2014 ________________________________________________________ MEASUREMENT OF AIR CHARACTERISTICS IN THE UPPER ZONE OF THE ROOM WITH BURNING PAPER Zuikov I.E. 1 , Antoshyn A.A. 1 , Esipovich D.L. 2 , Olefir H.I. 1 1 Belarusian National Technical University, Minsk 2 Research Institute of Fire Safety end Emergencies of the Ministry for Emergency Situations of the Republic of Belarus, Minsk e-mail: aantoshyn@mail.ru Abstract. Experimental studies of the dynamics of temperature, transmittance coefficient and forward scatter of radiation in the smoke under the ceiling space when burning paper where conducted. Behavior of main signs of fire at an early stage, common for the mentioned type of inflammables, was studied. Keywords: radiation scattering, optical density, signs of fire, flaming combustion, smoldering paper. References 1. Bukowski R.W., Moore W.D. Fire Alarm Signaling Systems. National Fire Protection Association, 2003, 450 p. 2. Zuikov I.E., Antoshyn A.A., Olefir H.I., Tratsiak I.B. [Device for Modelling of Early Stages of Fire Develop- ment], Collection of Scientific Papers Dostizheniya fiziki nerazrushayushchego kontrolya i technicheskoy diag- nostiki, Minsk, Institute of Applied Physics of National Academy of Sciences of Belarus, 2011, pp. 197–202. (in Russian) 3. Zuikov I.E., Antoshyn A.A., Olefir H.I., Esipovich D.L. [Control of smoke concentration during testing of smoke optical point detectors] Chrezvychaynyye situatsii: preduprezhdeniye i likvidatsiya, 2009, no 2 (26), pp. 17–29 (in Russian) Поступила в редакцию 05.12.2013.