Теоретическая часть

Пожар - это сложный комплекс неразрывно связанных физических и химических процессов, среди которых основным является процесс горения. Для поддержания горения на пожаре необходим постоянный газообмен - приток свежего воздуха в зону химических реакций и удаление из нее образующихся продуктов. Параметры пожаров подразделяются на физико - химические и геометрические. К основным параметрам относятся; площадь и периметр пожара; фронт распространения горения; расход го­рючего; высота пламени; скорость распространения горения; скорость выгорания; температура пожара; интенсивность излучения пламени; интенсивность газообмена; плотность задымления и его количественные характеристики по составу дыма; удельная теплота пожара; продолжительность пожара. При пожарах на открытом пространстве происходит газообмен зоны химических реакций с окружающей средой. При внутренних пожарах газообменом фактически является вентиляция помещения через проемы в ограждающих конструкциях, вызванная и регулируемая процессами горения и теплообмена. Основными параметрами внутреннего пожара являются следующие.

Продолжительность (время) пожара - t_п. Продолжительностью пожара называется время с момента его возникновения до прекращения процесса горения. Процесс горения может прекратиться самопроизвольно (самозатухание пожара), в результате выгорания горючего или применения огнетушащих веществ. В последнем случае t_п складывается из времени свободного развития и времени тушения.

Площадь пожара - S_п. Площадью пожара называется площадь проекции зоны горения на горизонтальную или вертикальную плоскость. Как правило, используется проекция зоны горения на горизонтальную плоскость. Горение жидкостей и газов является гомогенным. Горение ТГМ может протекать как в гомогенном, так и в гетерогенном режимах. Поэтому в площадь пожара включаются участки поверхности, на которых происходит как гомогенное, так и гетерогенное горение.

Составляющая площади пожара, над которой существует пламя - S_гомог зависит от притока воздуха в зону горения. При небольших размерах факела приток воздуха обеспечивает образование горючей смеси практически во всем его объеме. Тогда S_гомог = S_п. По мере распространения пожара, края фронта пламени удаляются друг от друга и воздуху все труднее проникать в зону горения. В результате этого внутри факела образуется область, в которой выделяющимся газообразным продуктам пиролиза не хватает окислителя для сгорания.

На внутренних пожарах часто встречается ситуация, когда нехватка кислорода приводит к ограничению объема пламени. Наступает момент, когда площадь, над которой возможно пламенное горение (S_гомог), ограничена притоком воздуха, а общая площадь пожара увеличивается за счет роста площади гетерогенного горения (S_{гетерог}).

Площадь поверхности горения - S_пг. Этот параметр характеризует реальную площадь горючего, которая участвует в горении, т.е. выделяет горючие газы при пиролизе или испарении, а также взаимодействует с окислителем в гетерогенном режиме. Площадь поверхности горения определяет интенсивность выделения тепла на пожаре.

Линейная скорость распространения пожара - v_л (м/с, м/мин). Под этим параметром понимают путь, который на данном объекте проходит фронт пламени в единицу времени. Величина v_л определяет площадь пожара на данный момент. Она зависит от вида горючего, характеристик пожарной нагрузки и ее размещения, вида пожара и др. факторов.

Площадь пожара в реальных условиях зависит не только от скорости распространения пламени по поверхности ТГМ, но и от скорости его перехода с одного предмета на другой. Поэтому на v_л влияет также характер размещения горючих изделий и материалов на объекте, интенсивность теплового излучения, направление и скорость газовых потоков. При рассредоточенной пожарной нагрузке интенсивности излучения от горящего предмета может быть недостаточно для воспламенения материалов соседних предметов. Тогда пожар не распространится на всю площадь объекта и останется локальным.

Величина v_л зависит также от состава газовой среды, поступающей в зону горения. Так, на внутренних пожарах, по мере развития процесса горения, концентрация кислорода в газовой среде уменьшается, температура пламени и, соответственно, его излучательная способность снижаются. Это приводит к уменьшению скорости распространения пламени по поверхности горючего. Вместе с тем, температура газовой среды в помещениях часто достигает температуры воспламенения материалов до того как пожар охватит все помещение. В этих случаях перед фронтом пламени образуется газовоздушная смесь на нижнем концентрационном пределе, по которой пламя распространяется со скоростью до 50 м/с, т.е. практически мгновенно. Это явление называется общей вспышкой.

Массовая скорость выгорания. По физическому смыслу этот параметр представляет собой скорость газификации горючего. Он показывает, какая масса ТГМ или жидкости при горении переходит в газообразное состояние в единицу времени. Очевидно, что чем больше площадь поверхности, с которой происходит газовыделение, тем выше потеря массы. Поэтому различают массовую скорость выгорания абсолютную, приведенную и удельную.

Теплота пожара показывает какое количество тепла выделяется на пожаре в 1с.

Температура пожара - Т_п. Температурой открытых пожаров считается температура пламени. Она зависит, главным образом от вида горючего. Для наиболее распространенных ТГМ действительная температура горения составляет около 1150°С, жидкостей - 1250°С, газов - 1350°С.

Температурой внутренних пожаров на практике считается среднеобъемная температура газовой среды в помещении. Она ниже температуры горения материалов на открытом пространстве. Так, при горении ТГМ в помещении, среднеобъемная температура газовой среды редко превышает 1000°С.

Интенсивность газообмена - J_г оценивается как отношение расхода воздуха, поступающего через проемы к площади пожара:

J_г = Св/S_П, кг/(с-м²) (1.1)

где С_в - масса воздуха, проходящего в помещение через проемы в единицу времени, кг/с.

Коэффициент избытка воздуха -a характеризует количество воздуха, которое при пожаре не участвует в горении. На внутренних пожарах, при наличии газообмена помещения с окружающей средой а находится как отношение расхода воздуха фактически поступающего через проемы (G_в) к теоретически необходимому для сгорания материала с массовой скоростью v_л (Gв⁰):

а = G_в / Gв⁰ (1.2)

Следует иметь в виду, что коэффициент избытка воздуха относится к объему всего помещения. Непосредственно в зоне горения практически всегда недостаток воздуха. По величине a можно оценить концентрацию кислорода (f_к) в продуктах горения из выражения:

a ~ 21/(21 -f_к) (1.3)

Если при развитии пожара f_к понизится до значения, предельного для горения данного горючего материала, то резкий приток воздуха может вызвать объемную вспышку и выброс пламени в смежное помещение.

По своей природе процесс горения представляет собой химическую реакцию между горючим веществом и окислителем, которая протекает с выделением тепла. Часть тепла расходуется в зоне химических реакций на нагрев продуктов горения, часть - передается в окружающую среду в виде излучения, конвекции и теплопроводности. Если бы тепло, выделяющееся в зоне горения, расходовалось только на нагрев газовой среды внутри помещения, то ее максимальная температура постепенно достигала бы температуры пламени. Однако часть тепла, выделяющегося в зоне горения, поглощают строительные конструкции, часть теряется в результате излучения через открытые проемы, затрачивается на нагрев горючих материалов (главным образом в ходе начальной стадии пожара), уносится из помещения вместе с продуктами горения через проемы. Во время пожара присутствуют все три вида теплообмена. Однако их соотношение может быть разным в зависимости от вида пожара, стадии его развития, свойств горючего вещества. Появление очага горения в помещении сразу вызывает повышение давления газовой среды т.к. объем продуктов горения, даже при нормальных условиях, больше объема израсходованного воздуха. Температура и плотность при этом изменяется незначительно. В соответствии с законом Паскаля (Р = Р₀ - рgh, где: Р₀ - давление столба газа на уровне пола, Р - давление столба газа на расстоянии h от пола, р - плотность газа, g- ускорение свободного падения) распределение давлений по высоте помещения также остается практически неизменным. В результате этого эпюра давлений внутри помещения на данном этапе смещается практически параллельно относительно эпюры давлений наружного воздуха (рис. 1.1) и газы вытекают из помещения через все имеющиеся отверстия (открытые проемы, щели и т.п.) независимо от их расположения. Приток воздуха в помещение извне отсутствует, и процесс горения развивается за счет воздуха, находящегося в помещении.

Стрелками показано направление движения газовых потоков. Сплошная линия - эпюра давлений воздуха снаружи, пунктирная - эпюра давлений газовой среды внутри помещения.

По мере развития процесса горения и увеличения размеров очага температура газовой среды в помещении повышается, плотность (р_г) падает, угол наклона эпюры давлений возрастает. В результате этого наступает момент, когда давление газов (Р_г) в верхней части помещения становится несколько больше атмосферного (Р_в), в нижней части - меньше и на каком-то уровне - равно атмосферному (рис. 1.1). Т.е. на этом уровне располагается условная горизонтальная плоскость, на которой выполняется условие DР=Р_г - Р_в = 0. Она называется плоскостью равных давлений (ПРД) или нейтральной зоной. Расстояние от ПРД до пола считается высотой нейтральной зоны и обозначается Н_нз. Через все отверстия, расположенные выше ПРД из помещения удаляются газы, ниже ПРД - поступает воздух (см. рис. 1.1б). При этом расход воздуха через проемы определяется высотой ПРД относительно нижней отметки проема - к₀.

Рис. 1.1. Распределение давлений при пожаре в помещении: а) при появлении очага горения; б) при развившемся пожаре.

В общем виде тепловой баланс внутреннего пожара может быть представлен следующим уравнением:

q_п = q_ср + q_уд + q_м + q_к + q_л(1.4)

где: q_ср - интенсивность накопления тепла газовой средой в помещении; q_уд - интенсивность удаления тепла из помещения нагретыми газами; q_м - интенсивность поглощения тепла горючими материалами во время их нагрева до воспламенения; q_к - интенсивность поглощения тепла ограждающими конструкциями; q_л - интенсивность излучения тепла за пределы помещения через проемы.

Величинаq_ср определяет температуру газовой среды внутри помещения. Остальные составляющие правой части уравнения (1.4) являются потерями тепла. Величинаq_к зависит от теплофизических характеристик материалов, из которых выполнены ограждающие конструкции; определяется площадью проема, а также излучательной способностью пламени.

Интенсивность поглощения тепла горючими веществами зависит от их теплофизических свойств, проявляется главным образом на стадии распространения пожара, и на температуру газовой среды влияет мало.

Т. о. q_м,q_к и q_л обусловлены характеристиками здания и горючих материалов, находящихся в помещении.

Динамикой внутреннего пожара называется изменение его параметров во времени.

В динамике внутренних пожаров выделяют четыре основных стадии: начальную, развития, стационарную и стадию затухания. Начальной стадией считается период времени от момента возникновения очага пожара до охвата пламенем максимально возможной площади. Если начальная стадия заканчивается охватом всего помещения, т.е. S_п. = S_пола, пожар становится объемным. Если по какой-то причине (например, большой неравномерности распределения нагрузки) пожар охватывает лишь часть помещения, он называется локальным. Стадия развития протекает уже при постоянной площади пожара. В этот период параметры процессов горения, газо- и теплообмена достигают предельных для данного пожара значений и на какое- то время остаются постоянными. Стадия, в течение которой параметры пожара не изменяются, называется стационарной. Если пожар не тушить, то он переходит в стадию затухания, когда площадь горения уменьшается, скорость выгорания и, соответственно теплота пожара снижаются, плоскость равных давлений поднимается. В помещение поступает больше холодного воздуха, что при уменьшении интенсивности тепловыделения приводит к снижению температуры пожара.

В зависимости от соотношения массы горючих материалов и количества воздуха, которое обеспечивает их сгорание, различают два режима внутреннего пожара. В тех случаях, когда приток воздуха достаточен для достижения максимальной полноты сгорания, обусловленной видом горючего, массовая скорость выгорания не зависит от расхода воздуха, поступающего в помещение. Такой режим получил название "пожар регулируемый нагрузкой" (ПРН). В тех случаях, когда интенсивность газообмена ограничивает массовую скорость выгорания, т.е. приток воздуха в помещение не обеспечивает максимальную полноту сгорания, пожар называется регулируемым вентиляцией (ПРВ).

Если при развитии пожара в режиме ПРН увеличить приток воздуха в помещение температура газовой среды понизится т.к. наружный воздух является значительно более холодным. Вскрытие проемов, откачивание дыма при ПРН также приводит к снижению температуры пожара. При таких способах регулирования газообмена возрастает интенсивность удаления тепла с продуктами горения q_уд. А так как q_п при ПРН не изменяется (υ_м остается постоянной), становится отрицательной и температура пожара снижается. Очевидно, что при ПРВ увеличение интенсивности газообмена вызовет рост массовой скорости выгорания, интенсивности тепловыделения и, соответственно, температуры пожара.

При длительном развитии пожара в режиме ПРВ в помещении накапливаются несгоревшие газы. Вскрытие проемов приводит к их разбавлению воздухом, образованию и воспламенению горючей смеси - объемной вспышке.

Контрольные вопросы

1. Перечислить стадии пожара.

2. Дать определение, объяснить физический смысл основных параметров внутреннего пожара.

3. Как зависит скорость распространения пламени от концентрации кислорода в газовой среде?

4. Что такое общая вспышка? При каких условиях она происходит?

5. Что такое объемная вспышка? При каких условиях она происходит?

6. Как зависит теплота пожара от массовой скорости выгорания?

7. Как зависит продолжительность начальной стадии пожара от массовой скорости выгорания? Чем объясняется эта зависимость?

8. Что такое плоскость равных давлений? Какие параметры влияют на ее положение относительно пола помещения?

9. Что означает "пожар, регулируемый нагрузкой"?

10. Что означает "пожар, регулируемый вентиляцией"?

11. Какие возможны последствия изменения условий газообмена?