第三章(1)烟气的性质、流动和控制

ISO烟箱
ROS
ISO, 1980
烟气的遮光性
材料的发烟性能测试 大多方法都是NBS烟箱法的改进型和衍生型 常用的NBS烟箱法
实验材料：75cm2 热源：竖直上方2.5W/cm2的固定热源
下方6个小火焰组成的有焰燃烧阵 结果：装置内试样光学密度的最大值 Dm = D0(V/As) 只考虑了试样的暴露面积，没考虑试样的厚度 再现性和重复性好，误差在±25％间浮动
实验炉中产生的烟较多
一些问题 具体建筑物应当按什么值来选择材料 通风和轰燃对发烟量的影响 发烟速率和发烟势的联系
导向火焰 研究可燃固体自由燃烧 时发烟性能的装置
烟气的流动
烟气的有效流通面积
烟气流动的驱动力 中性面位置的计算 中性面以上楼层内的烟气浓度
烟气的流动
烟气的遮光性
烟气遮光性的几种表示方法
烟气的光学密度 ： D = lg(I0/I) = -lg(I/I0)

单位：贝尔（bel)，单位较大
分贝(db)：贝尔的1/10, OD = -10 lg(I/I0)
单位长度光学密度 ：D0 = -lg(I/I0)/L
减光系数：
Kc = –ln(I/I0)/L= 2.303D0
烟气的性质、流动和控制
内
容
烟气的产生与性质 烟气的遮光性
烟气的流动
烟气的控制
烟气的产生与性质
烟气对人的危害 遮光性－降低能见度－延长疏散时间 毒性－CO、H2S等 缺氧窒息－燃烧消耗大量氧气，使氧浓度降低 高温灼伤－100℃以上对人构成威胁 80%左右的人死于烟气


固定容积式 流动式
烟气的产生与性质
烟气的毒性 火灾烟气中都会含有有毒物体 含量最大的是CO：火灾中的死亡人员约有一半是由 CO中毒引起的 NOX 氰化氢（HCN)－木材、皮革、含氮塑料、人造革等 燃烧 SOx、HCl等－塑料制品的燃烧 缺氧是气体毒性的特殊情况 固体颗粒的毒害
20 能见 15 度 V(m) 10 Vα =8 7 2000cd/m2 黑烟 500cd/m2 黑烟 2000cd/m2 白烟 500cd/m2 白烟
白烟减光系数较小 发光标志：R取5－10 反光标志：R取2－4 R取2－4

有反射光存在的建筑物：

巴切尔、帕乃尔

0.4
0.5
0.7
1
1.5
2
自发光标志可见度 比反光标志的大2.5倍
阴燃－材料热解生成的挥发分,与冷空气混合，浓缩成 较重的高分子组份，并形成薄雾 有焰燃烧


高温下脱离固体的灰分 不完全燃烧和高温分解形成的气相中碳颗粒 可燃挥发分高温热解生成的高分子化合物

烟颗粒当中通常含有相当多的可燃组份，条件合适会 继续燃烧
烟气的产生与性质
烟颗粒的产生 母体可燃物的化学性质对烟气产生有重要影响
低分子量的燃料基本上不产生烟气 高分子燃料易产生烟气 燃料的化学组分是决定烟气产生量的主要因素
经过部分氧化的燃料发出的烟量比生成这些物质
Байду номын сангаас
的碳氢化合物的发烟量少
烟气的产生与性质
烟气的浓度
由烟气中所含固体颗粒或液滴的多少及性质决定 烟气中颗粒量的测量 过滤法：烟气流过一定的滤纸或滤网后的重量 粒子数目测量法：光子装置置于烟气通道上，利用遮 光性或反光性测单位体积烟气通过的烟颗粒数目 光学浓度表示法：确定烟气在已知容积的容器内的遮 光性（光学密度）
有效流通面积 某种流体在一定压差下流过系统的总的当量流通面积 存在并联流动、串联流动、混联流动 有效流通面积的计算 并联流动：每个出口的压差P都相同，总流量QT 为 各出口流量之和 A
QT = Q1+Q2+Q3 Q = CA (2P/)1/2
加压空间 Q
Ae Ai
i 1
烟气的流动
烟囱效应
着火层 中性面
着火层
中性面
着火层 (a) (b) (c)
建筑物中正烟囱效应引起的烟气流动
烟气的流动
烟气的浮力与膨胀力 密度差引起的 房间与外界环境的压差 着火房间温度恒定时： Pf 0 ghPatm 1 / T0 1 / T f / R 当外界压力为标准大气压时，有

2
2
Qout / Qin (T f / Tin )1/ 2
烟气的流动
风的影响 风压的产生及影响因素 压力差的大小与风速的平方成正比 1 Pw C w 0V 2 2
使用空气温度表述，上式可写为
Pw 177CwV 2 / T0 0.6CW V 2
风压系数Cw：
n
A1 Q1 Q2
A2 Q3
A3
并联出口
烟气的流动
有效流通面积的计算 串联流动
每个出口的体积流率相同 总压差 为各压差之和
PT = P1+P2+P3
Q1 A2 Q2 A3
A1 加压空间 Q
Pi

2
n
Q / CAi 2
1/ A 2 Ae i i 1


m CA 2P

1/ 2
对于串联路径，有
e
so
Psi Pso Ae / Asi
2
从而得到竖井与建筑内部房间之间的压差：
Psi Pso / 1 Asi / Aio

2

烟气的流动
烟囱效应 通常，比值Asi/Ai0在1.7到7之间，表明竖井与建筑物 内部房间之间的压差比竖井与外界之间的压差小得 多。 若着火楼层有较多窗口被烧破，Ai0变大，比值 Asi/Ai0将变小，以致Psi接近于Pso，即竖井与该层 房间的压差几乎等于竖井与外界的压差。 楼层高度的影响。 中性面以下发生火灾，烟气一般不会进入中性面以 下楼层，而容易进入中性面以上楼层。 中性面以上由正烟囱效应产生的空气流动可限制烟 气的流动，空气从竖井流进着火层能够阻止烟气流 进竖井。
-0.8－+0.8, 与建筑物的几何形状、当地的挡风情况、 墙壁与风向之间的风向角有关
烟气的流动
风的影响
建筑物的高宽比 建筑物的长宽比 风向角( ) 不同墙壁上的风压系数 正面 背面 侧面 侧面
1 L / W 1.5
H / W 0.5
1.5 L / W 4
广泛应用于火灾探测
行 走 1.0 速 度 (m/ 0.5 s) 0.3 盲人的行走速度 0 0 0.2
刺激性烟气 非刺激性烟气
0.4 0.6 0.8 减光系数 Kc (1/m)
1.0
1.2
在刺激性与非刺激性烟气体中人的行走速度
烟气的遮光性
材料的发烟性能测试
材料的发烟性能不是材料的固有性质，与火灾环境有关 但它建立了一种可评价材料发烟性的方法，仍得到广泛 应用 不同测试方法的设计略有差别，但光学密度的测量都是 将烟气收集到固定的容器中进行的
n

2
Ti
1 / 2
烟气的流动
流动的驱动力
烟囱效应
内外温差 底部开口
密度差
压力差
To Ts
Pso s gH
0


o s
正烟囱效应：内部温度高
负烟囱效应：外部温度高
Pso 0 Pso 0
烟气的流动
烟囱效应 上下双开口
形成流动：正向上，负向下 存在中性面，约在竖井中部，取决于上下口面积 正烟囱效应
烟气的遮光性
材料的发烟性能测试 拉斯巴希法：
烟收集在13m3的容器中 引入发烟势的概念：烟气生成的最大可能性
Dp = D0 (V/W1) 考虑了可燃组份质量的影响 根据质量损失和容器大小，可求出光学密度
房间总烟载荷
V D p W1
烟气的遮光性
可燃固体处在烟囱结构中发出的烟很少

中性面之下： Pso 中性面中上： Pso
0 0
假定理想气体
P / RT
PS 0 K S 1 / T0 1 / TS h
烟气的流动
烟囱效应 实际中，气体流动竖井 楼层 外界 对任意一楼层，其有效流动面积为： 2 2 1 / 2 Ae 1 / Asi 1 / Aio 通过该层的质量流率为：
Q4 Q3 A4
A3 Q2 A5
A2 A1
Q1
Q
A
加压空间
Q5
1 / 2
混联出口
烟气的流动
温度与流通系数变化的影响
Te A 并联： e Ce
Te 串联：Ae Ce
1/ 2 1 / 2 n C i Ai (Ti ) i 1
1/ 2
C A i i i 1

名称 场合类型 参考
Rohm-Haas XP—2
NBS试验
FOS
ROS
ASTM, 1977
ASTM, 1979
Arapahoe试验
Steiner隧道法 辐射板试验 OSU量热计
FG
FOD ROD ROD
ASTM, 1982
ASTM, 1981(a) ASTM, 1981(b) ASTM, 1980(b)
烟的百分遮光度： B = (I0–I)/I0 100 光学密度和遮光度的关系：D= -lg(1-B/100)
烟气的遮光性
烟气的遮光性和人的能见度 能见度的概念：人在一定环境下能看到的最远距离， 具有一定的主观标志。 人员疏散的一个重要影响因素，决定人员是否有危险 影响烟气能见度的因素：


1/ 2
A
Q3
烟气的流动
有效流通面积的计算 混联流动：既有并联，又有串联
并联：A2和A3， A4和A5
A23 e A2 A3
A45 e A4 A5
串联：A23e、A45e与A1串联
2 2 Ae 1 / A12 1 / A23 e 1 / A45 e
Pfo K s (1 / T0 1 / T f ) h
3460 (1 / T0 1 / T f ) h
烟气的流动
烟气的浮力与膨胀力
压差与燃烧状况的关系
0.25 m/ T0 Aw T f Pf 0 1.0 m/ T0 Aw T f 烟气流出与空气流入的体积流量之比
减光系数 Kc (1/m)
发光标志的能见度与减光系数的关系
烟气的遮光性
刺激性气体对能见度的影响 刺激性气体对眼睛构成危害，人无法睁眼 在刺激性气体中能见度和减光系数间的关系不适用
30 20 能 见 度 10 V(m) 7 5 3 经验 方程 刺激性烟气 非刺激性烟气
Vα =6
2
0.2 0.3 0.5 0.7 1 1.5 2 3 减光系数 Kc (1/m) 在刺激性与非刺激性气体中人的能见度
烟气的遮光性
刺激性气体对能见度的影响 可大大降低人的行走速度
减光系数为0.4时，刺激性气体中行走速度为非刺激性中的
70% 减光系数大于0.5时，刺激性气体中行走相当于盲人
对刺激性烟气，金(Jin)给出能见度经验公式
V＝（0.133-1.47logKc)×R/Kc
1.5
对烟气浓度的研究
烟气本身的性质：颜色、浓度、颗粒大小、刺激性等 目标物的性质：颜色、尺寸、光照条件、发射光还是 反射光等 背景 人员本身的身体和精神状态、视力情况

烟气的遮光性
烟气的遮光性和人的能见度 能见度与减光系数和单位光学密度的关系
V = R/Kc= R/2.303D 金实验

烟气的产生与性质
烟气的温度 100℃的温度下：
30分钟 几分钟
温度与极限忍受时间的关系式
t 4.1 108 /T B2 / B1
3.61
空气湿度增大，极限忍受时间降低 衣服的透气性和隔热程度对忍受温度也有影响
烟气的遮光性
表示方法 光通过烟气或灰尘后会发生折射、散射、反射等现 象，光强减小 遮光性：一定光束穿过烟场后强度的衰减 光学密度：光通过烟气后透射率倒数的常用对数
烟气的产生与性质
烟气的定义 可燃气热解或燃烧产生的气相产物 由于卷吸而进入的空气
多种微小的固体颗粒和液滴
尘、炭烟、雾－气溶胶 原生粒子－以固体颗粒进入气相中的物质 再生粒子－由气体转变为固体或液体的粒子 火灾烟气是一种特殊类型的气溶胶
烟气的产生与性质
烟颗粒的产生 组分浓度梯度造成的不完全燃烧下的产物