ТЕМА 2.2. Зоны развития пожара. Факторы развития процесса горения.

Развитие пожара зависит от физико-химических свойств горящего материала; пожарной нагрузки, под которой понимается масса всех горючих и трудногорючих материалов, находящихся в горящем помещении; скорости выгорания пожарной нагрузки; газообмена очага пожара с окружающей средой и с внешней атмосферой и т.п.

Общие схемы развития пожара включают несколько основных фаз (экспериментальные данные для помещения размером 5x4x3 м, отношением площади оконного проема и площади пола 25%, пожарной нагрузкой 50 кг/м² – древесные бруски):

I фаза - начальная стадия, включающая переход возгорания в пожар (1-3 мин) и рост зоны горения (5-6 мин).

В течение первой фазы происходит преимущественно линейное распространение огня вдоль горючего вещества или материала. Горение сопровождается обильным дымовыделением, что затрудняет определение места очага пожара. Среднеобъемная температура повышается в помещении до 200 °С (темп увеличения средне-объемной температуры в помещении около 15°С в 1 мин). Приток воздуха в помещение увеличивается. Поэтому очень важно в это время обеспечить изоляцию помещения от наружного воздуха (не рекомендуется открывать или вскрывать окна и двери в горящее помещение. В некоторых случаях, при достаточном обеспечении герметичности помещения, наступает самозатухание пожара) и вызвать пожарные подразделения. Если очаг пожара виден, необходимо по возможности принять меры к тушению пожара первичными средствами пожаротушения.

Продолжительность I фазы составляет 2-30% продолжительности пожара.

II фаза – стадия объемного развития пожара.

Температура внутри помещения поднимается до 250-300 °С, начинается объемное развитие пожара, когда пламя заполняет весь объем помещения, и процесс распространения пламени происходит уже не поверхностно, а дистанционно, через воздушные разрывы. Разрушение остекления через 15-20 мин от начала пожара. Из-за разрушения остекления приток свежего воздуха резко увеличивает развитие пожара. Темп увеличения среднеобъемной температуры – до 50 °С в 1 мин. Температура внутри помещения повышается до 800-900 °С.

Стабилизация пожара происходит на 20-25 минуте от начала пожара и продолжается 20-30 мин.

III фаза – затухающая стадия пожара.

Пространство, в котором происходят пожар и сопровождающие его явления, можно разделить на три отдельные, но взаимосвязанные зоны: горения, теплового воздействия и задымления.

Зона горения представляет собой часть пространства, в котором происходит подготовка горючих веществ к горению (испарение, разложение) и их горение. Она включает в себя объем паров и газов, ограниченный топким слоем пламени и поверхностью горящих веществ, с которой пары и газы поступают в объем зоны. Иногда зона горения, кроме указанного, ограничивается также конструктивными элементами здания, стенками резервуара, аппарата и т.д. Хотя реакция горения паров и газов протекает в топком светящемся слое пламени, представляющем поверхность горения, будем в дальнейшем для удобства расчетов под поверхностями горения понимать поверхность жидких и твердых горящих веществ, с которых в результате испарения или разложения выделяются в зону горения пары и газы.

На рис. 8.1а показана зона горения, когда часть ее располагается за пределами здания. Здесь объем зоны горения ограничен поверхностью горения дров, расположенных на полу помещения, несгораемыми степами и перекрытием помещения и поверхностью пламени за окном помещения и у окна в нижней его части. Находящиеся внутри помещения пары и газы, выделившиеся при разложении дров, также входят в объем зоны горения. Такое положение зоны горения бывает, когда скорость выделения продуктов разложения большая, а подвод воздуха ограничен и продукты разложения имеют возможность соприкасаться с ним за пределами здания и частично около оконного проема в нижней части помещения. На рис. 8.1б показана зона горения жидкости в резервуаре. Здесь также объем золы горения ограничен поверхностью горения жидкости, стенками резервуара и поверхностью пламени. Так как в резервуарах горение паров жидкости происходит в турбулентном потоке и пламя не имеет постоянной формы, то поверхность его принимается, как и у пламени в ламинарном потоке.

Рис. 8.1. Зона горения при гомогенном (пламенном) горении

а – открытый пожар в здании; б – горение жидкости в резервуаре

При горении фонтанов жидкости или газа объем зоны горения ограничен поверхностью пламени.

Зона горения твердых веществ, горящих без пламени (тлеющих), например хлопка, кокса, войлока и торфа, представляет горящий объем их, ограниченный еще не горящим веществом.

Площадь проекции поверхности горения твердых и жидких веществ и материалов на поверхность земли или пола помещения называется площадью пожара (рис. 8.2)

При горении одиночной конструкции небольшой толщины, расположенной вертикально (перегородка), за площадь пожара можно принимать площадь проекции поверхности горения на вертикальную плоскость. При внутренних пожарах в многоэтажных зданиях общая площадь пожара находится как сумма площадей пожара всех этажей.

Рис. 8.2. Зона горения и площадь пожара

а – при пожаре жидкости в резервуаре; б – при пожаре штабеля пиломатериалов;

Зоной теплового воздействия называется часть пространства, примыкающая к зоне горения, в которой тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния материалов и конструкций и делает невозможным пребывание людей без тепловой защиты (теплозащитные костюмы, щиты, водяные завесы и др.).

Выделяющееся при горении тепло является основной причиной развития пожара и возникновения многих сопровождающих его явлений. Оно вызывает нагрев окружающих зону горения горючих и негорючих материалов. При этом горючие материалы подготавливаются к горению и затем воспламеняются, а негорючие разлагаются, плавятся, строительные конструкции деформируются и теряют прочность.

Выделение тепла на пожарах и нагрев продуктов сгорания вызывают также движение газовых потоков и задымление территорий и помещений, расположенных около зоны горения.

Возникновение и скорость протекания этих тепловых процессов зависит от интенсивности выделения тепла в зоне горения, что характеризуется удельной теплотой пожара.

Выделение тепла происходит не во всем объеме зоны горения, а только в светящемся се слое, где совершается химическая реакция. Выделившееся тепло воспринимается продуктами сгорания (дымом), в результате чего они нагреваются до температуры горения. Нагретые продукты сгорания передают тепло путем излучения, теплопроводности и конвекции, как в зону горения, так и в зову теплового воздействия. Так как большинство горючих материалов образуют газообразные продукты сгорания, то наибольшее количество тепла из зоны горения передается ими.

На пожарах в зданиях нагретые до 1100-1300 °С продукты сгорания (дым), поступая в зону теплового воздействия, смешиваются с воздухом и нагревают его. Процесс смешивания происходит на всем пути движения продуктов сгорания, поэтому температура в зоне теплового воздействия понижается по мере удаления от зоны горения – от температуры горения до температуры, которая является безопасной не только для конструкций и горючих материалов, но и для подразделении, действующих в этой зоне. Температуру 50-60 °С можно принять как предельную для зоны теплового воздействия.

Продукты сгорания оказывают наибольшее воздействие на материалы и конструкции около зоны горения, где температура их превышает 300-400 °С. В этом пространстве возможно воспламенение твердых горючих материалов и деформация незащищенных металлических конструкций.

В начальной стадии развития внутреннего пожара зона теплового воздействия имеет низкую среднюю температуру, так как большое количество тепла идет на нагревание воздуха, строительных конструкций, оборудования и материалов.

На открытых пожарах при отсутствии ветра продукты сгорания (дым.) располагаются над зоной горения и в большинстве случаев (пожары резервуаров, штабелей пиленого и круглого леса, караванов торфа, хлопка и т.д.) их теплосодержание не влияет на находящиеся вблизи горючие материалы и не мешает действиям подразделений пожарной охраны. При наличии ветра продукты сгорания располагаются ближе к земле, что способствует распространению пожара.

Тепло, воспринимаемое строительными конструкциями вызывает их нагрев, что в свою очередь может привести к обрушению конструкций, а также к воспламенению сгораемых материалов в смежных помещениях. Эти явления характерны для внутренних пожаров в помещениях с большой горючей загрузкой, малой площадью проемов или наличием металлических конструкций.

Аккумулированное, строительными конструкциями на внутренних пожарах тепло составляет не более 8% тепла, выделенного за все время развития пожара.

При горении твердых и жидких материалов некоторое количество тепла, выделяющегося в зоне горения, воспринимается горящими материалами. Часть этого тепла затрачивается на испарение и разложение материалов и с парами и газами поступает обратно в зону горения.

Другая часть тепла затрачивается на нагревание горящих материалов и содержится в них. Таким образом, тепло поддерживает непрерывный процесс горения и определяет его скорость. Если это тепло отнять от горящих материалов, то горение прекратится. На этом принципе основано прекращение горения водой.

Из зоны горения передача тепла осуществляется не только конвекцией, но и излучением.

При горении бензина в резервуарах доля тепла, передаваемого из зоны горения конвекцией, составляет 57-62% всего выделившегося в ней тепла, а .при горении штабелей пиломатериалов 60-70%. Остальное тепло (30-40%) передается из зоны горения, излучением. Так как это тепло вызывает распространение пожара на значительных расстояниях от зоны горения и препятствует действиям подразделений по тушению, то все защитные мероприятия на открытых пожарах сводятся в основном к экранированию материалов и ствольщиков.

На внутренних пожарах тепло передающееся излучением, обычно составляет небольшую величину, так как площадь проемов в здании, через которые возможно излучение, и интенсивность излучения пламени через дым невелики. Направление передачи тепла излучением может не совпадать с направлением передачи тепла конвекцией, поэтому зона теплового воздействия на пожарах часто состоит из участков, где воздействует только тепло излучения или только тепло продуктов сгорания, и участков, где оба вида тепла воздействуют совместно.

С учетом величины интенсивности излучения, причиняющей боль в незащищенных частях тела, выведена зависимость для определения минимального безопасного расстояния l от ствольщика до пламени

где H_П – усредненная высота факела пламени, м.

Тепло, воспринятое горящими материалами определяет расход огнегасительных веществ на тушение.

С учетом значения каждой входящей в тепловой баланс пожара величины проводятся мероприятия, препятствующие развитию пожара и способствующие его тушению (вскрытие конструкций ближе к зоне горения и выпуск нагретого дыма, охлаждение горючих материалов, металлических конструкций и технологических аппаратов, защита ствольщиков от лучистой теплоты и т. д.).

Зоной задымления называется часть пространства, примыкающая к зоне горения и заполненная дымовыми газами в концентрациях, создающих угрозу жизни и здоровью людей или затрудняющих действия пожарных подразделений.

Зона задымления на некоторых пожарах включает в себя всю или часть зоны теплового воздействия.

Одним из явлений, характеризующих развитие пожара, является выделение продуктов сгорания. При горении подавляющего большинства веществ продукты сгорания содержат твердые частицы полного и неполного сгорания, диаметр которых измеряется от 10^-3 до 10^-6 мм. Продукты сгорания с имеющимися в них твердыми частицами называются дымом. Поскольку в условиях пожара дым в чистом виде, т.е. без примеси воздуха, не бывает, то под понятием дым в широком смысле понимается смесь воздуха с продуктами сгорания и имеющимися в них твердыми частицами.

На пожарах чаще всего горят органические материалы, состоящие из углерода, водорода и кислорода (древесина, бумаги, ткани; бензин, керосин и т.д.). Поэтому основными компонентами дыма являются азот, кислород, углекислый газ, пары воды, окись углерода и свободный углерод в виде мельчайших частичек (сажи). При горении и разложении материалов, которые, кроме углерода, водорода и кислорода, содержат еще азот, серу, хлор к фтор, в составе дыма могут находиться окислы азота, хлористым водород, сернистый газ, сероводород, а также фосген, синильная кислота и другие токсические вещества.

Чаше всего происходит отравление окисью углерода, так как она образуется на всех пожарах. Основные симптомы отравления окисью углерода – боль в области лба и висках, головокружение и шум в ушах. Отравление окислами азота вызывает кашель, раздражение дыхательных путей, иногда головную боль, рвоту. При отравлении синильной кислотой в начальной стадии ощущаются царапанье в горле и жгучий горький вкус во рту, возникают слюнотечение, головокружение, острая головная боль, тошнота.

Токсические продукты образуются главным образом при термическом разложении и горении пластмасс, каучуков, синтетических волокон, смол и т.д.

Концентрация токсических продуктов в дыме на пожаре зависит от интенсивности газообмена и количества этих продуктов, выделяющихся с 1 м² площади горения.

Однако не только токсические продукты характеризуют отрицательные свойства дыма. Например, высокая температура дыма является не менее опасным фактором для человека. При температуре среды 60° и большой влажности воздуха создаются тяжелые условия для организма человека, особенно при физической работе.

Большим препятствием при тушении пожаров являются твердые частицы полного или неполного сгорания, которые не редко настолько снижают видимость в зоне задымления, что даже при наличии мощных источников света не возможно различать довольно крупные предметы на расстоянии нескольких десятков сантиметров. Особенно плотное задымление бывает при горении веществ с большим коэффициентом химического недожога, таких как нефтепродукты, резина, каучуки, шерсть, хлопок, большинство пластиков и пластмасс. Большое количество твердых частиц выделяется при горении щелочных, щелочноземельных металлов и их сплавов. Плотность дыма определяется по количеству твердых частиц, содержащихся в единице его объема, и измеряется в г/м³. При отсутствии приборов о плотности дыма можно судить по видимости в нем предметов, освещаемых групповым фонарем с лампой в 21 свечу.

Плотность дыма на пожарах в основном зависит от интенсивности газообмена и весового количества твердых частиц в единице объема продуктов сгорания, образующихся при сгорании единицы массы вещества.

О степени задымления можно судить не только по плотности дыма, но и по процентному содержанию продуктов сгорания в объеме помещения, т.е. по концентрации дыма. Большая концентрация продуктов сгорания и малый процент кислорода в помещении является одним из существенных факторов, характеризующих задымление и представляющих серьезную опасность для человека. Известно, что при содержании в воздухе кислорода 14-16% по объему у человека наступает кислородное голодание, которое может привести к потере сознания, а снижение содержания кислорода до 9% опасно для жизни. На пожарах же концентрация кислорода в дыме может быть менее 9%.

Дым, двигаясь от зоны горения, смешивается с воздухом и образует зону задымления. Граница зоны задымления определяется по одному из трех показателей: по наименьшим опасным концентрациям токсических компонентов, по дыму слабой плотности или по концентрации кислорода в дыме, которая не должна быть ниже 16% по объему. При горении веществ опасной зоной следует считать все пространство, где наблюдается видимое присутствие дыма.

Объем и положение зоны задымления на открытых пожарах зависят в основном от скорости роста площади пожара и метеорологических условий. Как показала практика и экспериментальные данные, наибольшие объемы и плотность зоны задымления на открытых пожарах бывают при скорости ветра 2-8 м/сек.

Процесс задымления зданий связан еще с конструктивно-планировочными решениями зданий и сооружений.

Под временем образования зоны задымления понимается период, за который в задымленном объеме концентрация дыма достигнет величины, опасной для пребывания в нем человека без защиты органов дыхания.

Большое значение на задымление помещений как горящих, так и соседних оказывает положение нейтральной зоны в объеме помещения и в целом здании. Так, при низком расположении нейтральной зоны увеличиваются объем зоны задымления и число помещений, находящихся в зоне избыточных давлений (следовательно, подвергающихся опасности задымления), возрастают концентрация и плотность дыма.

Зависимость положения нейтральной зоны от отношения площади приточных и вытяжных отверстий используют для уменьшения влияния дыма и роста зоны задымления, для чего в верхней части помещения проемы вскрывают, а в нижней его части проемы закрывают или устанавливают дымососы.

Помещения, смежные с горящим, находящиеся выше уровня нейтральной зоны, но с наветренной стороны, при достаточной силе ветра и закрытых дверных проемах не задымляются или задымляются незначительно.

При пожарах в зданиях большое значение на задымление смежных помещений оказывает инфильтрация дыма через щели в дверных, оконных и прочих проемах. Экспериментальные данные по задымлению многоэтажных зданий и практика тушения пожаров показывают, что существующая защита проемов (дверные полотна, остекление окон и др.) не обеспечивает защиту помещений от задымления даже на минимальный промежуток времени.

Большое значение на процесс задымления зданий и сооружений оказывает работа вентиляционных установок. Различный вид вентиляции по-разному оказывает влияние на процесс задымления объемов. Так подача воздуха приточной вентиляцией в помещение, где происходит горение, значительно ускоряет его задымление, увеличивает скорость распространения горения и опасность задымления соседних помещений. Работа приточной вентиляции по подаче воздуха в смежные с горящим помещения препятствует их задымлению, а в некоторых случаях и совершенно исключает проникновение дыма в эти помещения.

Забор воздуха вытяжной вентиляцией из горящего помещения снижает скорость задымления, увеличивает время образования зоны задымления, снижает плотность дыма в помещении, но способствует развитию пожара. Забор воздуха вытяжной вентиляцией из соседнего с горящим помещения способствует задымлению соседних помещений.

Зона горения, а также зоны теплового воздействия и задымления на каждом пожаре различны как по своим размерам, форме, так и по характеру протекания одних и тех же явлений. Параметров, характеризующих величину различных зон и интенсивность протекающих в них явлений очень много. В пожарной тактике наибольшее значение имеют те параметры пожара, которые определяют количество сил и средств, необходимых для тушения, и действия подразделений по тушению пожара.

Параметры пожара не постоянны и изменяются .во времени. Изменение их от начала возникновения пожара до ликвидации его называется развитием пожара.

К основным параметрам, характеризующим развитие пожара, относятся: площадь пожара, периметр пожара, высота пламени (пожары, газовых и нефтяных фонтанов), линейная скорость распространения пожара, скорость выгорания, температура пожара, интенсивность газообмена, интенсивность излучения, плотность задымления. Зная основные параметры пожара, можно найти другие величины, необходимые для расчета сил и средств на тушение, например скорость роста площади и периметра пожара, удельную теплоту пожара и т. д.

Если пожар не тушить, то его развитие происходит чаще всего следующим образом.

Пожар, возникший в какой-либо точке участка сгораемых материалов, начинает распространяться по территории участка. В начальный период распространение происходит сравнительно медленно, но по мере увеличения площади пожара возрастает тепловое излучение, усиливаются потоки газов, распространение пожара ускоряется. Когда весь участок сгораемых материалов, ограниченный более или менее значительными разрывами, оказывается охваченным огнем, распространение пожара приостанавливается. В дальнейшем, если огонь не в состоянии преодолеть разрывы, происходит выгорание материалов при неизменной площади пожара.

Подобный ход развития пожара наблюдается не всегда. Так, при пожаре жидкостей в резервуарах пожар почти мгновенно принимает определенные размеры и дальнейшее развитие его выражается не в росте площади, а в ряде других явлений, например в изменении скорости выгорания и интенсивности теплового излучения, в возникновении явлений вскипания и выброса. При пожарах газовых фонтанов зона горения мгновенно принимает максимальные размеры. Развитие пожара в этом случае выражается в нагревании и деформации прилегающих к фонтану конструкций, в разрушении устья скважины и связанным с этим изменением формы и размеров факела пламени, а также в других явлениях.