Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей

В статье на основе общепринятой модели описания пожара анализируется обнаруживающая способность многоточечного дифференциального теплового извещателя суммирующего типа.

Определены выражения для расчета времени срабатывания извещателя в зависимости от мощности очага пожара, высоты помещения и чувствительности датчика извещателя. Результаты расчета сравниваются с экспериментальными данными.

Основным требованием к системам автоматического обнаружения пожаров является определение загораний на ранней стадии их возникновения.

Особенно это актуально в системах автоматического пожаротушения взрывоопасных производств. Ввиду значительного рассеяния тепловой энергии источника пожара на больших высотах его обнаружение на начальной стадии при помощи точечных тепловых извещателей весьма проблематично.

В работе [1] было показано, что наиболее перспективным при защите промышленных объектов является применение многоточечных тепловых извещателей суммирующего типа.

Датчик такого извещателя состоит из чувствительных элементов (термопар), равномерно распределенных на длинном витом проводе.

Термо-э.д.с., возникающие при воздействии на термопары тепловых потоков, суммируются на концах провода и преобразуются в специальном электронном блоке в сигнал тревоги. Если провод с термопарами равномерно разместить по всей площади потолка защищаемого помещения, то за счет сканирования тепловых потоков в помещении обеспечивается быстрое обнаружение загораний. Результаты огневых испытаний показали, что время срабатывания многоточечных извещателей мало зависит от высоты защищаемых помещений и составляет несколько десятков секунд вплоть до высоты Н = 20 м [4]. Однако отсутствие аналитического описания работы многоточечных извещателей создает определенные трудности при проектировании систем пожарной сигнализации с использованием этих извещателей. В данной статье на основе известных формальных описаний динамики пожара, результатов моделирования и экспериментальных исследований анализируется эффективность применения теплового многоточечного дифференциального извещателя с термопарными чувствительными элементами. Основным выражением, описывающим работу многоточечных извещателей, является уравнение [1]:

Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx (1), где

Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_1 — термо-э.д.с. на выходе i -ой термопары, находящейся под воздействием теплового потока; Е — пороговое значение термо-э.д.с. на выходе датчика, при котором извеща-тель выдает сигнал тревоги; N — количество термопар датчика, находящихся под воздействием теплового потока. Для анализа эффективности применения датчика необходимо определить зависимость N и Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_1 от мощности источника загорания Q [кВт] и от высоты Н [м] защищаемого помещения.

На начальной стадии развития пожара математическая модель простого факела, формируемого восходящими потоками, основана на точечном источнике пожара [3], который изображен на рис. 1. Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_2 Ввиду малой инерционности термопар, можно принять, что воздействие на датчик происходит в момент подхода восходящего потока теплого воздуха к потолку, а зону воздействия на датчик ограничить проекцией конуса факела на потолок радиусом R. Данное предположение подтверждается результатами эксперимента, которые свидетельствуют о том, что срабатывание многоточечного извещателя происходит за время не более 50 с с момента начала загорания очага пожара [4], а заметный рост температуры воздуха под потолком начинается лишь через 60-70 с [2]. Полагая, что через проекцию конуса проходит одна линия датчика, можно определить количество термопар, подвергающихся воздействию теплового потока:

Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_3 (2), где

Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_4 — шаг установки термопар, м; Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_5 — угол между осью источника и внешней границей конуса восходящего потока.

В известных моделях пожаров Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_5 принимают равным 15°. При Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_4 = 0,5м получим N = 1,1 Н штук термопар подвергаются нагреву на начальной стадии пожара.

Напряжение Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_1 на выходе термопары пропорционально перепаду температуры.

Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_6, который действует на термопару, где Тmax — температура восходящего потока; Т0 — температура окружающей среды [5]. Для определения Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_7 под потолком помещения используют следующие выражения [3]:

Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_8
Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_9

Графики функций (3) и (4), описывающих распределение температуры под потолком помещения высотой Н с точечным очагом пожара, находящимся на достаточно большом расстоянии от стен, приведен на рис. 2.

Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_10

Усредняя значение температуры Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_11 на участке Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_12 = R2 – R1 и подставляя (3), (4) в выражение (1), получим:

Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_13 (5); где

N1, N2 – количество термопар, на которые воздействуют соответственно скачки температур Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_14 и Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_11; а – коэффициент чувствительности термопары [В/град.К°]. Подставляя в (5) значения N1, N2, окончательно получим:

Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_15 (6)

В качестве наиболее распространенной модели развития очага пожара во времени t принимается квадратичная зависимость [2]:

Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_16 (7); где

Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_17 — интенсивность развития пожара [кВт/с2]; t – текущее время в с. Подставляя (7) в (6), можно расcчитать время срабатывания многоточечного извещателя в помещении высотой Н, исходя из заданной интенсивности Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_17 пожара.

Рассмотрим случай возгорания пожара с интенсивностью развития Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_17 = 0,02 кВт/с2. Через время t=100 с мощность пожара составит 200 кВт, а скачок температуры Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_18 на высоте 20 м будет не более 2 оК [2]. При Е = 0,003 В, а = 0,00002 В (данные для извещателя ИП 102-2х2) расчетное время срабатывания многоточечного извещателя в помещении высотой Н = 20 м составит t = 41,6 с. При этом количество термопар, на которые воздействует скачок температуры, равно 22 шт. В результате экспериментальных исследований [4] при сжигании в качестве очага пожара 1 л гептана срабатывание извещателя наступило через 38 с, а при сжигании 1 л бензина А-76 – через 29 с. Однако при этом количество термопар, оказавшихся в зоне нагрева, составило приблизительно 50 шт. Сравнительный анализ результатов расчета и эксперимента показывает, что формула (6) может служить для оценки верхней границы времени срабатывания многоточечного теплового извещателя. Применяя выражение (6), можно показать, что для многоточечных тепловых извещателей время срабатывания слабо зависит от высоты защищаемого помещения.

Так, например, уменьшение высоты Н в 2 раза приводит к уменьшению времени срабатывания извещателя всего на 30 %. Однако учитывая, что при монтаже многоточечных извещателей на реальных объектах, его датчик распределяется равномерно по всей площади потолка защищаемого помещения с шагом Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_19= 6 м можно показать, что на больших высотах тепловым потоком будет охвачено несколько линий датчика извещателя (см. рис. 3) и количество нагретых термопар будет больше, чем дает выражение (2). Соответственно, с ростом высоты Н расчетное время срабатывания извещателя будут расти еще медленнее, чем дают выражения (7) и (6). Может наблюдаться даже обратный эффект – уменьшение времени срабатывания при увеличении высоты защищаемого помещения.

Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_20

Используя выражение (6), а также простейшие геометрические расчеты, можно определить максимальную величину Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_19 для заданного времени t срабатывания многоточечного извещателя в помещении высотой Н. Выводы Проведенный анализ эффективности применения многоточечных тепловых извещателей суммирующего типа показал: 1. Многоточечные пожарные извещатели срабатывают на начальной стадии возгорания при подходе потока теплого воздуха от очага пожара к месту установки датчика извещателя. Время срабатывания составляет несколько десятков секунд от начала возгорания; 2. С ростом высоты защищаемого помещения время срабатывания извещателя изменяется незначительно и может быть уменьшено за счет уменьшения шага Анализ эффективности применения тепловых многоточечных пожарных извещателей-analiz-effektivnosti-primeneniya-teplovyx_19 прокладки датчика извещателя; 3. Результаты расчета верхней границы времени срабатывания извещателя на основе полученных выражений достаточно близки к экспериментальным данным и могут быть использованы при разработке проектов с применением многоточечных пожарных извещателей.

4. Результаты анализа и экспериментальных исследований показали возможность применения многоточечных тепловых пожарных извещателей суммирующего типа для обнаружения пожаров на начальной стадии в помещениях высотой более 9 м. Литература 1. Г.М.Карнаухов, М.Б.Филаретов "О применении тепловых пожарных извещателей для защиты промышленных объектов". Крупные пожары: предупреждение и тушение. Материалы XVI науч.-практ. конференции, ч.2, М.: ВНИИПО. 2001. 2. А.В.Карпов, А.М.Рыжов "Моделирование динамики припотолочных струй продуктов горения над нестационарными очагами пожара". "Крупные пожары: предупреждение и тушение", ч. 1, М.: ВНИИПО. 2001. 3. Д.Драйздейл "Введение в динамику пожаров". Перевод с англ. под ред. Ю.А.Кошмарова. М.: Стройиздат, 1990. 4. "Извещатель пожарный тепловой дифференциальный многоточечный ИП 102-2х2". Отчет о проведении испытаний. ИЦ ФГУ ВНИИПО МВД РФ (утв. 15.07.2002 г.). 5. Х.Кухлинг Справочник по физике. Перевод с немецкого яз. М.: Мир, 1983.