第三章烟气的性质与流动

烟气的性质与流动 第三章 纲要 3 1烟气的产生与性质 烟气产生的原因 1 燃烧过程中 氧气不足 发生不完全反应 烟气产生的原因 2 可燃物本身的化学性质对烟气的产生具有重要的影响碳素材料阴燃 油污有焰燃烧 灰分 碳颗粒 火灾烟气中的主要成分 1 可燃物热解或燃烧产生的气相产物 未燃烧气 CO CO2 其它有毒气体等 2 烟气卷吸的空气 3 多种微小的固体颗粒和液滴 碳颗粒和水滴等 3 1烟气的产生与性质 烟气的浓度是由烟气中所包含固体颗粒或液滴的多少及性质决定 常用测量方法 1 将单位体积的烟气过滤 确定其中颗粒的重量 mg m 适用于小尺寸试验2 测量单位体积烟气中烟颗粒的数目 个 m 适用于烟浓度很小的情况3 将烟气收集在已知容积的容器中 确定它的遮光性 一般表示为一定的光学密度 适用于小尺寸和中等尺寸的试验4在烟气从燃烧室或失火房间中流出的过程中测量它的遮光性 并在测量时间内积分 得到烟气的平均光学密度光性 火灾烟气中含有多种有毒物质 除了含有一氧化碳 二氧化碳等常见物质外 还含有氮化氢 氰化氢 氟化氢等有毒物质 常见试验方法 3 1烟气的产生与性质 一 动物实验法 二 气体分析法 动物实验法 就是用某些动物代替人类 接受各类化学物质及其不同浓度计量的试验 实验时 将实验动物 小白鼠 暴露于具有特定毒性烟气中一定时间后 一般为30分钟 观察试验动物14天内体重增减 运动能力以及致死等情况 从而评估烟气的毒性 气体分析法 采用化学分析仪器对火灾烟气成分进行测试 分析其毒性 用毒性指数表示烟气的毒性大小 毒性指数 将烟气中的某种气体的实际浓度与该气体的30min致死浓度的比值作为该气体的毒性因子 烟气中14种常见有毒气体的毒性因子之和即为该烟气的毒性指数 14种常见毒性气体为 二氧化碳 一氧化碳 甲醛 氧化氮 氰化氢 丙烯氰 光气 二氧化硫 硫化氢 氯化氢 氟化氢 溴化氢 氨气 苯酚 3 2烟气的遮光性 稳定电源 光源 光敏元件 数据采集系统 L 烟气遮光性测量装置示意图 光的透射率 烟气的光学密度 单位长度光学密度 减光系数 3 2烟气的遮光性 烟气的发烟能力测试 3 2烟气的遮光性 NBS标准烟箱使用方法 将一块75cm 的试验材料放在燃烧室中 其竖直上方是一个功率固定为2 5w cm 的热源 其下方是由6个小火焰组成的有焰燃烧阵 这种方法规定 测量结果表示为在本装置内的试验光学密度的最大值 即 单位长度的光学密度V是试验箱的容积试样的暴露面积 NBS标准烟箱 3 3烟气的流动 3 3 1烟气的有效流通面积 烟气有效流通面积 是指某一种流体 在一定的压差作用下流过系统的总的当量流通面积 1 并联流动 2 串联流动 3 混联流动 并联流动 并联出口 串联流动 串联出口 有效流通面积 推广 可以得到n个出口串联时的有效面积为 加压空间 混联流动 该图为串并联系统 可见并联 组合有效流通面积为 同理 因此 系统的有效流通面积为 3 3 2烟气流动的驱动力 3 3烟气的流动 烟气流动的驱动力主要包括 1 烟囱效应2 燃气的浮力和膨胀力3 风的影响4 空调系统对烟气流动的影响5 电梯的活塞效应 烟囱效应 通常建筑物的室外较冷 室内较热 因此 室内的空气的密度比外界小 这便产生了使气体向上运动的浮力 高层建筑往往有许多竖井 如楼梯井 电梯井 竖直机械管道等 在这些竖井内 气体的上升运动非常显著 这就是烟囱效应 正烟囱效应和逆烟囱效应时的气体流动 建筑物中正烟囱效应引起的烟气流动 在正烟囱效应的情况下 低于中性面火源产生的烟气将与建筑物内的空气一起流入竖井 并沿竖井上升 一旦上升到中性面以上 烟气便可由竖井流出来 进入建筑物的上部楼层 如图 a 所示 若中性面以上的楼层发生火灾 由正烟囱效应产生的空气流动可限制烟气的流动 空气从竖井中流进着火层能够阻止烟气流进竖井 如图 b 所示 若着火层的燃烧强烈 热烟气的浮力克服了竖井内的烟囱效应 则烟气仍可进入竖井继而流入上部楼层 如图 c 所示 风的影响 风的存在可在建筑物的周围产生压力分布 而这种压力分布能够影响建筑物的烟气的流动 一般来说 建筑物的外部压力分布受到多种因素的影响 其中包括风的速度和方向 建筑物的高度和几何形状等 压力的大小与风速关系 即 为风作用到建筑物表面的压力 为风压系数 空气的密度 V为风速 由风引起的建筑物的两个侧面的压力差为 为迎风墙的压力系数为背风墙的压力系数 注 缺压力系数图 空调系统对烟气流动的影响 电梯的活塞效应 电梯在电梯井中运动时 能够使井内出现压力变化 这称为电梯的活塞效应 由活塞效应引起的电梯上方与外界的压差 式中 为电梯井内空气密度 为电梯井的截面积 V为电梯的速度 为电梯以上的楼层数 为电梯以下的楼层数 C为建筑物缝隙的流通系数 为在每层中电梯井与外界的有效流通面积 为电梯周围的流体的流通系数 为电梯周围的自由流通面积 3 4压力中性面 1 具有连续开缝的竖井 为竖井内空气的绝对温度 为外界空气的绝对温度 H为竖井的高度 具有上下双开口的竖井 为上开口面积 为下开口面积 3 5烟气的生成速率 为了定量计算烟气的流动 必须知道实际火灾中烟气的生成速率 在室内火灾中 在烟气以浮力羽流形式垂直升起的过程中 不断将空气卷吸进来 烟气的生成速率主要由烟气的羽流卷吸空气的量决定 因此需要建立一定的羽流模型 常见的羽流模型 1 烟气羽流的卷吸速率的理想模型 morton taylor等提出的羽流模型 2 若干经验羽流模型 1 Heskestad羽流模型 2 NFPA92B的羽流模型 3 Mccaffrey羽流模型 4 thomas Hinkley羽流模型 烟气羽流的卷吸速率的理想模型 morton taylor等提出的羽流模型 基本假设 1 火源为点源 释放的能量均出自该点源 且此能量全部留存于火羽流之中 忽略火焰对外界的辐射热损失 2 整个羽流之内的密度变化很小 3 速度 温度和力有着类似的分布形式 并进一步假定速度和温度在羽流横截面上呈高帽状分布 即均为常数 根据理想羽流模型导出的烟气生成速率公式 为Z处烟气的生成速率 T为环境空气温度 为环境空气的密度 为空气比热 g为重力加速度 Q为火源热释放速率 Z为距离火源的高度 Heskestad羽流模型 基本假设 1 引入虚点源概念 可适用于面型火源 考虑辐射热损失 以代替Q 其中表示火源的总热释放速率Q的对流部分 一般来说 0 7Q 2 速度和温度在羽流横截面上呈高斯分布 而不是高帽状分布 更接近实际情况 3 考虑大的密度差 适用于强羽流的情况 根据Heskestad羽流模型导出火焰上方和下方的烟气生成速率为 受壁面限制时的羽流模型 李元洲等人研究表明 在高大空间内 火源在墙边和墙角时烟气羽流模型可分别修正为 3 6烟气层的形成与排烟机理 烟气层的高度 用烟气层界面距离地面的高度表示 有时也可用烟气本身的厚度表示 烟气层高度计算 目前常用的计算烟气层的高度公式主要有 1 NFPA92B的公式是由美国消防协会标准提出的公式 假定烟羽流不与壁面接触 且空间横截面积不随高度变化 且为稳定火源时 t为火灾燃烧时间 A为建筑空间的横截面积 H为建筑为空间的高度 Q为燃烧释放热速率 烟气层高度计算 目前常用的计算烟气层的高度公式主要有 2 ISO的公式国际化标准组织 ISO 提出 假定房间的下部有足够的开口 空气能比较容易的进入室内 分2种情况讨论 1当安装了机械排烟设施或侧墙设有自然排烟设施 且烟层处于稳定状态时 2 当屋顶设有自然排烟设施 且烟气层处于稳定状态时式中 Z为烟气层界面高度 烟气的密度 V为排烟的体积速率为排烟的质量流率Q为热释放速率 t为火灾燃烧时间 A为建筑空间的横截面积 H为建筑为空间的高度 Q为燃烧释放热速率 烟气层高度计算 烟气层高度计算 通过房间顶棚开口的流动 建筑物与外界相同的开口大体可分为竖直开口和水平开口两类 气体流过这两类开口的机理有所不同 对于门窗之类的竖直开口 室内热气体和外界冷气体将分别沿开口的上半部流出和下半部流入 上下两区存在方向相反的单向流 对于水平开口 假设房间下部失火 气体通过开口的双向交换流动的形式复杂多变 冷 热流体之间没有明确的分界面 通过房间顶棚开口的流动 对于水平开口 压差为0时 EpsteinM试验 由Froude数表示体积交换流率 由图3 6 4可以看出 当L D较小时 Fr数大致为一常数 当L D