Особенности механизма горения газообразных, жидких и твердых горючих веществ и материалов на пожаре

Различают гомогенное и гетерогенное горение. Чаще всего на пожаре встречается гомогенное горение, при котором оба реагента (горючее и окислитель) находятся в газовой (паровой) фазе. Гомогенное горение происходит не только, когда горят горючий газ или пары горючих жидкостей, но и при горении большинства твердых горючих материалов.

Гетерогенное горение происходит тогда, когда горючее находится в твердом состоянии, а окислитель - в газообразном, и реакция окисления горючего осуществляется в твердой фазе. Молекулы горючего до начала окисления не покидают твердой фазы, а легкоподвижные молекулы газообразного окислителя поступают к молекулам горючего и вступают с ними в экзотермическую реакцию горения, образуя окислы. Образовавшийся же продукт неполного окисления (СО) или продукт горения (СО₂), будучи газообразным, не остается «связанным» в пределах твердой фазы, а покидает ее и выходит за ее пределы, в первом случае - доокисляясь в газовой фазе до СО₂, а во втором - удаляется с отходящими газами. Так, например, горит углерод в слое угля.

Существуют вещества, которые проходят через три агрегатных состояния: твердое горючее вещество плавится, расплавленное горючее вещество испаряется и горит в паровой фазе (например, парафин, стеарин, некоторые виды каучуков).

Все горючие жидкости перед воспламенением испаряются, а смесь паров с кислородом воздуха вступает в окислительную реакцию горения, образуя продукты горения и выделяя при этом энергию в виде тепловой и световой (лучистой).

За счет связанного кислорода или кислорода, растворенного в жидкости, окислительные процессы могут идти и в жидкой фазе, особенно на ее поверхности. Эти окислительные реакции при высоких температурах могут ускоряться, но они, как правило, не относятся к реакциям горения, и поэтому не рассматриваются при изучении механизма горения на пожаре.

То же самое происходит и при горении твердых веществ и материалов. Их воспламенению предшествует возгонка, т.е. выделение легколетучих газовых фракций из структуры твердого тела (древесины, углей, сланцев и многих натуральных и синтетических твердых горючих материалов).

При нагревании может наступить термическое разложение-пиролиз горючего материала (его «твердой» основы), при этом выделяющиеся продукты переходят в паровую или газовую фазу и смешиваются с кислородом воздуха. Затем вступают в химическое взаимодействие с выделением тепла, света и образованием продуктов полного окисления. При этом в твердой фазе могут протекать экзотермические реакции распада или частичного окисления, которые, начавшись под воздействием внешнего теплового источника, сами впоследствии приводят к дальнейшему разогреву горючего материала, интенсификации пиролиза, газофазного процесса горения.

Под диффузией при горении на пожарах понимается в основном конвективная диффузия молекул газа в зону горения, возникающая в результате естественной конвекции вокруг зоны горения и турбулентной диффузии интенсивных газовых потоков.

Одним из важнейших параметров диффузионного горения на пожаре является скорость выгорания горючих веществ и материалов. Она определяет интенсивность тепловыделения на пожаре, а, следовательно, температуру пожара, интенсивность его развития и другие параметры.

Массовой скоростью выгорания называется масса вещества или материала, выгорающая в единицу времени, n_м [кг/с]. Массовая скорость выгорания так же, как и скорость распространения горения, зависит от агрегатного состояния горючего вещества или материала. Скорость выгорания горючего газа зависит от его расхода. Горючие газы хорошо перемешиваются с окружающим воздухом за счет кинетической энергии их истечения, и поэтому почти полностью сгорают и факеле пламени. Массовая скорость выгорания горючих жидкостей определяется скоростью их испарения, поступления паров в зону горения и условиями их смешения с кислородом воздуха. Скорость испарения при равновесном состоянии системы «жидкость-пар» зависит от физико-химических свойств жидкости, ее температуры и упругости пара. При неравновесном состоянии интенсивность испарения жидкости определяется температурой ее поверхностного слоя. Температура, в свою очередь, зависит от интенсивности тепловых потоков от зоны горения, теплоты испарения и условий теплообмена с нижними слоями жидкости.

Для сложных, многокомпонентных горючих жидкостей состав их паровой фазы определяется концентрационным составом раствора и зависит от интенсивности испарения и степени их равновесности. При интенсивном испарении в поверхностных слоях жидкости происходит процесс разгонки и состав паровой фазы отличается от равновесного, а массовая скорость выгорания изменяется по мере выгорания более легколетучих фракций. Наконец, процесс выгорания зависит от интенсивности смесеобразования паров жидкости с кислородом воздуха. Смесеобразование, в свою очередь, зависит от размеров сосуда, резервуара, от высоты борта над уровнем жидкости (длины пути смешения до зоны горения) и интенсивности внешних газовых потоков. Чем больше диаметр резервуара, тем хуже условия смесеобразования (больше путь взаимной диффузии паров горючего и воздуха). С увеличением высоты свободного борта (больше длина пути паров жидкости до зоны горения) скорость выгорания жидкости уменьшается. Чем больше скорость ветра, тем интенсивнее процесс смесеобразования и выше скорость выгорания жидкости.

Таким образом, чем выше начальная температура горючей жидкости, тем больше массовая скорость его выгорания. Затем с повышением температуры поверхностного слоя жидкости до температуры, близкой к температуре кипения, массовая скорость выгорания стабилизируется (если не происходит разгонки жидкости и существенного снижения ее уровня в резервуаре).

Массовая скорость выгорания жидкости увеличивается до диаметра 2—2, 5 м, а далее с увеличением диаметра практически остается постоянной. Наибольшая скорость выгорания наблюдается при верхнем уровне жидкости в резервуаре.

Масса жидкости, выгорающей в единицу времени с единицы площади поверхности, называется удельной массовой скоростью выгорания n_M [кг/(м²*с)].

Объемной скоростью выгорания называется объем материала, выгорающий в единицу времени с единицы площади поверхности горения v₀. Для газов это объем газа, сгорающий в единицу времени v₀ [м³/с], а для жидкостей и твердых горючих веществ и материалов это удельная объемная скорость выгорания v₀ [м³/(м²_*с)]. Она может быть выражена и через м/с, т.е. иметь размерность линейной скорости. Физически она выражает скорость понижения уровня жидкости по мере ее выгорания или скорость выгорания толщины слоя твердого горючего материала. Поэтому ее еще называют линейной скоростью горения. Перевод объемной или линейной скорости выгорания в массовую осуществляется по формуле (3):

.       (3)

В табл. 1 приведены усредненные значения массовой и линейной скоростей выгорания некоторых горючих жидкостей при верхнем уровне их в резервуаре и отсутствии ветра, полученные экспериментально.

Скорость выгорания жидкостей, разлитых на поверхности, зависит от толщины их слоя. Если толщина слоя жидкости более 10 мм, то скорость ее выгорания почти не отличается от приведенной в табл. 1. Для более тонких слоев жидкости и пленок скорость выгорания значительно выше. Массовая скорость выгорания твердых горючих веществ и материалов зависит от вида горючего, его состояния (размеров, величины свободной поверхности, положения по отношению к зоне горения и др.), температуры пожара и интенсивности газообмена.

В табл. 2 приведены удельные массовые скорости выгорания некоторых твердых горючих материалов при различной температуре, но постоянных влажности и газообмене. Экспериментально установлено, что древесина при температуре 900°С имеет удельную массовую скорость выгорания 0, 011-0, 015 кг/(м²_*с). Скорость выгорания твердых горючих материалов вообще не превышает 0, 02 кг/(м²*с) и редко бывает ниже 0, 005 кг/(м²*с). Твердые горючие материалы могут иметь сильно развитую свободную поверхность, тогда приведенная массовая скорость выгорания их значительно выше удельной.

Приведенная массовая скорость выгорания (табл.3) получена при относительной площади проемов 0, 16 (отношение площади проемов, через которые осуществляется газообмен к площади пожара, F_пр /F_п ). В табл.3 приведена массовая скорость выгорания древесины в зависимости от площади проема.

 

Табл. 1 Справочные усредненные значения массовой и линейной скоростей выгорания некоторых горючих жидкостей при верхнем уровне их в резервуаре и отсутствии ветра, полученные экспериментально.

 

Горючие жидкости	Скорость выгорания		Горючие жидкости	Скорость выгорания
	Массовая, кг/(м2*с)	Линейная, мм/с		Массовая, кг/(м2*с)	Линейная, мм/с
Ацетон	0, 047	0, 055	Нефть	0, 02	0, 0267
Бензол	0, 038	0, 052	Мазут	0, 035	0, 036
Бензин	0, 045-0, 053	0, 063-0, 075	Керосин	0, 0483	0, 06
Бутиловый спирт	0, 0135	0, 0186	Толуол	0, 038	0, 045
Диэтиловый эфир	0, 06	0, 083	Этиловый спирт	0, 0266-0, 0334	0, 0334-0, 042
Иэопентан	0, 105	0, 167	Сероуглерод	0, 036	0, 0284

 

 

Таблица 2 - Приведенная массовая для некоторых твердых материалов скорость выгорания

Твердые материалы	Приведенная массовая скорость выгорания, кг/(м2*с)
Бумага разрыхленная	0, 008
Древесина в изделиях ( W = 8 - 10%)	0, 014
Карболитовые изделия	0, 0063
Органическое стекло	0, 0143
Полистирол	0, 0143
Пиломатериалы в штабеле на открытой площадке	0, 0112
Резино-технические изделия	0, 0112
Текстолит	0, 0067
Каучук натуральный	0, 0133
Каучук синтетический	0, 0088
Книги на деревянных стеллажах	0, 0055
Торф в караванах ( W = 40%)	0, 003
Хлопок разрыхленный	0, 004
Штапельное волокно разрыхленное	0, 0067
Этрол ацетилцеллюлоэный	0, 015
Фенопласты	0, 0058

 

Таблица 3 Массовая скорость выгорания древесины в зависимости от площади проема.

 

Приведенная массовая скорость выгорания древесины, кг/(м2*с)	Относительная площадь проема Fпр /Fп
0, 0134	0, 25
0, 0125	0, 2
0, 0108	0, 16
0, 009	0, 1

 

Из табл.3 видно, что при уменьшении площади проемов скорость выгорания снижается. При различных условиях газообмена скорость выгорания твердых горючих материалов принимают пропорциональной площади проемов (4):

   (4)

где  и  - соответственно табличная (табл. 2) и действительная массовые скорости выгорания; φ - коэффициент, учитывающий условия газообмена, рассчитываемый по формуле (5):

. (5)

Данное выражение справедливо при значении коэффициента φ от 0, 25 до 0, 085. Для открытых пожаров коэффициент φ  принимают равным единице.

3  Параметры и зоны пожара

Параметры пожара

Из практики известно, что главное и основное явление на всех пожарах - это горение, но сами пожары всегда различны, индивидуальны. Во-первых, разнообразны виды и режимы процесса горения (горение кинематическое и диффузионное, гомогенное и гетерогенное, ламинарное и турбулентное, дифлаграционное и детонационное, полное и неполное и т.д.); во-вторых, разнообразны условия, в которых происходит горение (состояние и расположение горючего вещества, тепло- и массообмен в зоне горения и др.). Поэтому каждый пожар необходимо регистрировать, описывать, исследовать, сравнивать с другими, близкими по характеру, т.е. изучать параметры пожара [13, 16-24].

Продолжительность пожара – r _п [мин]. Продолжительностью пожара называется время с момента его возникновения до полного прекращения горения.

Площадь пожара - F_п [м²]. Площадью пожара называется площадь проекции зоны горения на горизонтальную или вертикальную плоскость. На рис.12 показаны характерные случаи определения площади пожара. На внутренних пожарах в многоэтажных зданиях общая площадь пожара находится как сумма площадей пожара всех этажей. В большинстве случаев пользуются проекцией зоны горения на горизонтальную плоскость, сравнительно редко - на вертикальную, например, при пожаре на газовом фонтане, при горении одиночной конструкции небольшой толщины, расположенной вертикально, например, перегородки, декорации и т.п. Площадь пожара является одним из основных параметров пожара, особенно важным при оценке его размеров, при выборе метода тушения, при определении особенностей тактики его тушения и расчете количества сил и средств, необходимых для его локализации и ликвидации.

Температура пожара – Т_п [К]; t_п [°С]. Под температурой внутреннего пожара понимают среднеобъемную температуру газовой среды в помещении, а под температурой открытого пожара — температуру пламени. Температура внутренних пожаров, как правило, ниже, чем открытых.

Рис.12. Площадь пожара: а - при горении жидкости в резервуаре; б - при горении штабеля пиломатериалов; в - при горении газонефтяного фонтана.

 

Линейная скорость распространения пожара - n_p [м/с]. Под этим параметром понимают скорость распространения горения по поверхности горючего материала в единицу времени. Она определяет площадь пожара, зависит от вида и природы горючих веществ и материалов, от способности к воспламенению и начальной температуры, от интенсивности газообмена на пожаре и направленности конвективных газовых потоков, от степени измельченности горючих материалов, их пространственного расположения и других факторов.

Линейная скорость распространения горения непостоянна во времени, поэтому в практических расчетах пользуются средними значениями n_p, которые являются величинами весьма приближенными.

Наибольшей n_p обладают газы, поскольку в смеси с воздухом они уже подготовлены к горению и для его продолжения, если горение возникло, затрачивается тепло на нагрев смеси только до температуры воспламенения.

Линейная скорость распространения горения для жидкостей в основном зависит от их начальной температуры. Особенно резкое возрастание n_p наблюдается при нагреве горючих жидкостей до температуры вспышки, так как наибольшее значение линейной скорости для горючих жидкостей наблюдается при температуре воспламенения и равно скорости распространения горения по паровоздушным смесям. Наименьшей линейной скоростью распространения горения обладают твердые горючие материалы, для подготовки к горению которых требуется больше тепла, чем для жидкостей и газов. Линейная скорость распространения горения твердых горючих материалов зависит почти от всех перечисленных факторов, но особенно от их пространственного расположения. Например, распространение пламени по вертикальным и горизонтальным поверхностям может отличаться в 5—6 раз, а распространение пламени по вертикальной поверхности снизу вверх и сверху вниз приблизительно в 10 раз. Линейная скорость распространения горения по горизонтальной поверхности наиболее часто используется в расчетах.

Скорость выгорания горючих веществ и материалов (см. раздел 2.3).

Интенсивность газообмена – I_г [кг/(м²-с)]. Интенсивностью газообмена называется количество воздуха, притекающее в единицу времени к единице площади пожара. Различают требуемую интенсивность газообмена - I_г^ТР, фактическую -  I_г^ф. Требуемая интенсивность газообмена показывает, какое количество воздуха должно притекать в единицу времени к единице площади пожара для обеспечения полного сгорания материала. Поскольку полное горение в условиях пожара практически никогда не достигается, то I_г^ТР характеризует удельный расход воздуха, при котором возможна максимальная полнота сгорания горючего материала. Фактическая интенсивность газообмена характеризует фактический приток воздуха на пожаре, т.е. полноту сгорания, плотность задымления, интенсивность развития и распространения пожара и другие параметры. Интенсивность газообмена относится к внутренним пожарам, где ограждающие конструкции ограничивают приток воздуха в объем помещения, т.е. в зону горения, но проемы в ограждающих конструкциях позволяют определить количество воздуха, поступающего в объем помещения. На открытых пожарах воздух поступает из окружающего пространства непосредственно в зону горения, и расход его остается неизвестным.

Интенсивность или плотность задымления - z. Эти параметры пожара характеризуются ухудшением видимости и степенью токсичности атмосферы в зоне задымления. Ухудшение видимости при задымлении определяется плотностью, которая оценивается по толщине слоя дыма, через который не виден свет эталонной лампы, или по количеству твердых частиц, содержащихся в единице объема, и измеряется в г/м³.

Данные о плотности дыма, образующегося при горении веществ, содержащих углерод, приведены в табл.4.

Теплота пожара – Q_п [кДж/с]. Теплота пожара характеризует, какое количество тепла выделяется в зоне горения в единицу времени. Приведенная теплота пожара Q'_п [кДж/(м²*с)] показывает, какое количество тепла выделяется в единицу времени с единицы площади пожара, рассчитывается по формуле (6):

Q_п=β n'_м F_п Q_н^Р,                  (6)

где β - коэффициент химического недожога; v' _м - приведенная массовая скорость выгорания, кг/(м²-с); F_п – площадь пожара, м²; Q_н^Р - теплота сгорания, кДж/кг.

Таблица 4. Значения плотности дыма, образующегося при горении веществ, содержащих углерод

 

Наименование дыма	Плотность дыма, г. твер.фазы / м3	Видимость предметов, освещаемых лампой в 21 свечу, м
Дым плотный	Более 1, 5	До 3
Дым средней плотности	От 0, 6 до 1, 5	От 3 до 6
Дым слабой плотности	От 0, 1 до 0, 6	От 6 до 12

 

Приведенная теплота пожара определяется по формуле (7):

Q_п'=β n'_м Q_н^Р,                           (7)

Коэффициент химического недожога для веществ и материалов выбирается в зависимости от количества воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы горючего:

при                                    n_В⁰                                   β

> 10 нм³/кг                    0, 84÷ 0, 9

~ 5 нм³/кг                     0, 9÷ 0, 95

< 5 нм³/кг                      0, 95÷ 0, 99

Размер пожара определяется объемом зоны горения. Энергетическая мощность зоны горения характеризуется теплонапряженностью Q_п^об [кДж/(м³*с)], которая показывает, какое количество тепла выделяется в единицу времени в единице объема зоны горения.

Кроме перечисленных параметров пожара, существуют еще и такие, как: периметр пожара, фронт распространения горения, высота пламени, интенсивность излучения пламени и др.

Следует иметь в виду, что все параметры пожара изменяются во времени и взаимосвязаны друг с другом. Например, продолжительность пожара зависит не только от величины пожарной нагрузки, но и от скорости ее выгорания. Последняя, в свою очередь, зависит от вида и температуры пожара, а температура от интенсивности газообмена и тепловыделения. Основным фактором, определяющим параметры пожара, является вид и величина пожарной нагрузки. Под пожарной нагрузкой объекта понимают массу всех горючих и трудногорючих материалов, приходящихся на 1 м² площади пола помещения или площади, занимаемой этими материалами на открытой площадке, формула (8):

 ,                               (8)

где Р_гн - пожарная нагрузка; Р - масса горючих и трудно- горючих материалов, кг;

F - площадь пола помещения или открытой местности, м².

В пожарную нагрузку помещений, зданий и сооружений входят не только оборудование, мебель, продукция, сырье и т.д., но и конструктивные элементы зданий, изготовленные из горючих или трудногорючих материалов, т.е. стены, пол, потолок, оконные переплеты, двери, стеллажи, перекрытия, перегородки и т.д. Пожарная нагрузка в помещениях делится на постоянную (горючие и трудногорючие материалы строительных конструкций, технологическое оборудование и т.п.) и временную (сырье, готовая продукция, мебель и т.п.). Пожарная нагрузка помещения определяется как сумма постоянной и временной нагрузки. В зданиях пожарная нагрузка для каждого этажа определяется отдельно. Масса горючих элементов чердачного перекрытия и покрытия включается в пожарную нагрузку чердака. Величина пожарной нагрузки для некоторых помещений принимается следующей:

- для жилых, административных и промышленных зданий величин пожарной нагрузки не превышает 50 кг/м² (если основные элементы зданий негорючие);

- средняя величина пожарной нагрузки в жилом секторе составляет для однокомнатных квартир - 27 кг/м², для двухкомнатных - 30 кг/м², для трехкомнатных - 40 кг/м²;

- в зданиях III степени огнестойкости пожарная нагрузка составляет 100 кг/м²;

- в производственных помещениях, связанных с производством и обработкой горючих веществ и материалов, пожарная нагрузка составляет от 250 до500 кг/м²;

- в складских помещениях, сушилках и т.п. пожарная нагрузки достигает 1000-1500 кг/м²;

- в помещениях, в которых расположены линии современных технологических процессов и в высокостеллажных складах она составляет 2000-3000 кг/м².

Для твердых горючих материалов важное значение имеет структура пожарной нагрузки (т.е. ее дисперсность) и характер ее пространственного размещения (плотно уложенными рядами, отдельными штабелями или пачками, сплошное расположение или с разрывом, горизонтальное, наклонное, вертикальное и т.д.). Например, одни и те же картонные коробки с обувью или рулоны (тюки) ткани, уложенные горизонтально на полу склада подвального типа и на стеллажах складов высотой 8÷ 10 м и более дадут принципиально различную картину динамики пожара. Во втором случае пожар будет развиваться и распространяться в 5-10 раз быстрее, чем в первом. Другой пример: листовая бумага и обои, как правило, выгорают полностью, но всей поверхности на ранних стадиях пожара. В то же время рулоны бумаги почти не горят. Горение рулонов возможно только после продолжительного прогрева их до температуры, значительно превышающей температуру начала пиролиза бумаги. Из примеров видно, как интенсивность горения зависит от относительной площади свободной поверхности горючего материала.

Степень достаточной «открытости» для горения зависит от размеров самой поверхности горючего материала, интенсивности и газообмена и др. Для спичек зазор в 3 мм достаточен, чтобы каждая спичка горела со всех сторон, а для деревянной плиты размером 2000 х 2000 мм зазор в 10-15 мм недостаточен для свободного горения. На практике свободной считают поверхность, отстоящую от другой близлежащей поверхности на расстоянии 20-50 мм. Для учета свободной поверхности пожарной нагрузки введен коэффициент поверхности горения К_п.

Коэффициентом поверхности горения называют отношение площади поверхности горения F_п.г к площади пожара F_п и определяют по формуле (9):

                   (9)

При горении жидкостей в резервуарах К_п=1. При горении твердых материалов К_п> 1. По этой причине для одного и того же вида твердого горючего материала, например, древесины, почти все параметры пожара будут различными в зависимости от К_п (горение бревен, досок, стружки). Подсчет фактических значений К_п для различных видов пожарной нагрузки производят заранее. В табл. 5-8 приведены значения К_п. для типовых вариантов планировки штабелей и стеллажей твердых горючих материалов в складских зданиях различной степени огнестойкости, а также значения К_п.  пожарной нагрузки для отдельных цехов мебельных фабрик (здания цехов I и II степени огнестойкости).

 

Табл. 5 Коэффициент поверхности горения при разном способе складирования

 

Способ складирования	Степень огнестойкости здания	Значения Кп при высоте штабелей и стеллажей, м
		2	3	4
Штабели	I - II	0, 92	1, 4	1, 84
	III	1, 92	2, 4	2, 84
	IV - V	2, 64	3, 13	3, 56
Стеллажи	I - II	1, 33	2	2, 67
	III	2, 33	3	3, 67
	IV - V	3, 1	3, 78	4, 44

Для большинства видов пожарной нагрузки величина К _п. не превышает 2-3, редко достигая 4-5. Коэффициент поверхности горения определяет фактическую величину площади горения, массовую скорость выгорания, интенсивность тепловыделения на пожаре, теплонапряженность зоны горения, температуру пожара, скорость его распространения и другие параметры пожара.

 

Табл. 6 Коэффициент поверхности горения для некоторых видов изделий для мебельных цехов и фабрик.

 

Помещения	Мебельный цех		Корпус мебельной фабрики
	Пожарная нагрузка, кг/м2	Кп	Пожарная нагрузка, кг/м2	Кп
Отделение механической обработки древесины	125	1	78	0, 7
Отделение сборки	40, 4	2, 33	45	1, 05
Отделение отделки	-	-	70	1
Отделение окраски	-	-	35	2
Промежуточный склад	-	-	225	1, 8
Склад фанеры	-	-	180	1, 2

 

Табл. 7. Коэффициент поверхности горения для некоторых видов мебели в зависимости от их массы

 

Виды изделия	Масса изделия, кг	Коэффициент поверхности горения
Столы: - письменные, кабинетные, канцелярские, лабораторные, кухонные; - журнальный, чертежный, обеденный	15 – 30   5-15	4-6   2-3
Стулья	3-5	3-4, 5
Шкафы (книжные, платяные)	25-30	5-10
Диваны, кровати	30-60	5-7
Кресла	5-10	5-8

 

Табл. 8 Коэффициент поверхности горения для некоторых объектов

 

Вид объекта	Масса изделия, кг/м2	Коэффициент поверхности горения
Жилые и административные помещения	25-50	2-3
Производственные помещения,  связанные с обработкой и хранением ТГМ	50-250	1, 5-3
Склады, холодильники, магазины	250-500	2-5
Склады резинотехнических изделий, обуви, товаров промышленного производства	500-750	3-6
Склады лесо-пиломатериалов, высокостеллажные склады	500-2000	10-50(100)

Зоны пожара

Для изучения пожаров, для научно обоснованной системы мер профилактики, для четкой организации руководства боевыми действиями подразделений по тушению пожаров и других целей пространство, в котором происходит пожар, и вокруг него условно делят на три зоны: горения; теплового воздействия и задымления. Эти зоны, как правило, не имеют строгих и четких границ [13, 16-23].

Зоной горения называется часть пространства, в котором происходит подготовка горючих веществ к горению (подогрев, испарение, разложение) и их горение.

Она включает в себя объем паров и газов, ограниченный собственно зоной горения и поверхностью горящих веществ, с которой пары и газы поступают в объем зоны горения. При беспламенном горении и тлении, например, хлопка, кокса, войлока, торфа и других твердых горючих веществ и материалов зона горения совпадает с поверхностью горения. Иногда зона горения ограничивается конструктивными элементами — стенами здания, стенками резервуаров, аппаратов и т.д. Характерные случаи пожаров и зоны горения на них показаны на рис.13. Зона горения является теплогенератором на пожаре, так как именно здесь выделяется все тепло и развивается самая высокая температура. Однако процесс тепловыделения происходит не на всей зоне, а во фронте горения, и здесь же развиваются максимальиые температуры. Внутри факела пламени температура значительно ниже, а у поверхности горючего материала еще ниже. Она близка к температуре разложения для твердых горючих веществ и материалов и к температуре кипения жидкости для ЛВЖ и ГЖ. Схемы распределения температур в факеле пламени при горении газообразных, жидких и твердых веществ показаны на рис. 14.

 

Рис.13. Зоны горения на пожарах: а - при горении жидкости и резервуаре; б - при горении внутри здания; в - при горении угля

 

 

Рис.14. Распределение температур в пламени при горении: а - газообразных веществ; б - жидкостей; в - твердых материалов. 

 

Зона теплового воздействия. Зоной теплового воздействия называется часть пространства, примыкающая к зоне горения, в котором тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния материалов и конструкций и делает невозможным пребывание в нем людёй без специальной тепловой защиты (теплозащитных костюмов, отражательных экранов, водяных завес и т.п.).

Если в зоне теплового воздействия находятся горючие вещества или материалы, то под действием тепловых потоков происходит их подготовка к горению, создаются условия для их воспламенения и распространения огня. С распространением зоны горения границы зоны теплового воздействия расширяются, и этот процесс повторяется непрерывно.

Тепло из фронта горения распространяется в окружающее пространство как конвекцией, так и излучением. Конвективные токи горячих газов направлены преимущественно вверх, а количество тепла, переносимое ими в единицу времени, пропорционально градиенту температур между газом-теплоносителем и тепловоспринимающей средой и коэффициенту теплообмена и определяется законом Ньютона (10):

 ,              (10)

где  - коэффициент теплообмена, Вт/(м²*К); Т_г - температура в зоне горения, K; Т₀ - температура окружающей среды, K; F - площадь теплообмена, м².

Тепло, излучаемое пламенем, распространяется по всем направлениям полусферического пространства. Интенсивность излучения пламени зависит от его температуры и излучательной способности и определяется законом Стефана-Больцмана (11):

 ;                           (11)

где σ _о -  коэффициент излучения черного тела, Вт/(м²-К⁴); е - степень черноты тела; Т_г - температура в зоне горения, К; F - площадь излучения, м².

Зона теплового воздействия на внутренних пожарах будет меньше по размерам, чем на открытых, так как стены здания играют роль экранов, а площадь проемов, через которые возможно излучение, невелика. Кроме того, дым, который выделяется ни внутренних пожарах, резко снижает интенсивность излучения, поскольку является хорошей поглощающей средой. Направления передачи тепла в зоне теплового воздействия на открытых и внутренних пожарах также различны. На открытых пожарах верхняя часть зоны теплового воздействия энергетически более мощная, поскольку конвективные токи и излучение совпадают по направлению. На внутренних пожарах направление передачи тепла излучением может не совпадать с передачей тепла конвекцией, поэтому зона теплового воздействия может состоять из участков, где действует только излучение или только конвекция или где оба вида тепловых потоков действуют совместно.

При тушении пожара необходимо знать границы зоны теплового воздействия. Ближней границей зоны теплового воздействия является зона горения, а дальняя определяется по двум показателям: или по термодинамической температуре в данной точке пространства или по интенсивности лучистого теплового потока. По температуре граница зоны теплового воздействия принимается в той части пространства, где температура среды превышает 60-70°C. При данной температуре невозможно длительное пребывание людей и выполнение ими активных боевых действий.

За дальнюю границу зоны теплового воздействия по интенсивности лучистого теплового потока принимают такое удаление от зоны горения, где лучистое тепло, воздействуя на незащищенные части тела человека (лицо, руки) вызывают болевое ощущение не мгновенно, а через промежуток времени, соизмеримый с оперативным временем, т.е, временем, необходимым для активного воздействия бойца, вооруженного средствами тушения, на основные параметры пожара. Численную величину этого времени следует определять экспериментально на характерных реальных пожарах. Для внутренних пожаров в зданиях при средней интенсивности их развития, при современном вооружении бойца (например, стволом тонкораспыленной воды, с раствором смачивателя или загустителя) это время условно можно принять равным 15 с. Тогда по экспериментальным данным за дальнюю границу зоны теплового воздействия можно условно принять интенсивность лучистого потока примерно 3500 Вт/м² (табл. 9).

Из табл.10 видно, что расстояние для присутствия людей, не защищенных специальными средствами от лучистой энергии пожара, составляет 27—30 м. При тех же размерах штабеля, но с другим коэффициентом поверхности это расстояние может существенно измениться, тогда высота пламени увеличится или уменьшится за счет изменения площади горения, а следовательно, и выхода летучих из древесины. Безопасное расстояние при пожарах штабелей древесины может быть определено по эмпирической формуле (12):

,                    (12)

где Н - общая высота штабеля и пламени, м.

На рис.15 и 16 приведены графики, показывающие изменение интенсивности излучения пламени на различных расстояниях от него при пожарах резервуаров и штабелей древесины. Зная допустимые или предельные значения интенсивности излучения, можно найти расстояния, обеспечивающие безопасную работу пожарной техники и личного состава подразделений.

 

Табл. 9 значения интенсивности излучения пламени при горении штабелей древесины на различном расстоянии от них.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: