Физика и химия процессов горения

Введение

Под пожарной безопасностью понимают состояние защищённости личности, имущества, общества и государства от пожаров. Обеспечение пожарной безопасности является одной из важнейших функций государства [1].

Элементами системы обеспечения пожарной безопасности являются органы государственной власти, органы местного самоуправления, организации, крестьянские (фермерские) хозяйства и иные юридические лица независимо от их организационно-правовых форм и форм собственности, граждане, принимающие участие в обеспечении пожарной безопасности в соответствии с законодательством Российской Федерации.

Достижению пожарной безопасности способствуют:

 — нормативное правовое регулирование и осуществление государственных мер в области пожарной безопасности;

 — создание пожарной охраны и организация её деятельности;

 — разработка и осуществление мер пожарной безопасности;

 — реализация прав, обязанностей и ответственности в области пожарной безопасности; — производство пожарно-технической продукции;

 — выполнение работ и услуг в области пожарной безопасности;

 — проведение противопожарной пропаганды и обучение населения мерам пожарной безопасности; — информационное обеспечение в области пожарной безопасности;

 — учёт пожаров и их последствий;

 — осуществление Государственного пожарного надзора (ГПН) и других контрольных функций по обеспечению пожарной безопасности;

 — тушение пожаров и проведение аварийно-спасательных работ (АСР);

 — установление особого противопожарного режима;

 — научно-техническое обеспечение пожарной безопасности;

 — лицензирование деятельности в области пожарной безопасности и подтверждение соответствия продукции и услуг в области пожарной безопасности [1].

Основные требования предотвращения пожара на территории Российской Федерации определяются нормативными документами по противопожарной безопасности [2-10].

       Анализ статистических данных [2] показывает, что основной причиной пожаров в России является неосторожное обращение с огнем в жилом секторе (рис. 1). Активная работа специалистов в области пожарной безопасности привела к снижению количества пожаров в России за последние десять лет на 35 % и снижению количества погибших на 40 % (рис. 2) [2].

 

 

Рис. 1 Основные причины и объекты пожаров

 

Рис. 2 Основные статистические показатели обстановки с пожарами в РФ.

 

Для обеспечения дальнейшего снижения количества пожаров и их последствий пожарные управления нуждаются не только в пожарных, но и в других высококвалифицированных специалистах. Персонал пожарных управлений включает химиков, специалистов по компьютерам, аналитиков, диспетчеров, преподавателей по пожарной безопасности и по оказанию первой помощи, пожарных следователей, инженеров по противопожарной защите, механиков, водителей, инспекторов и специалистов по связям с общественностью.

Научные и технические знания инженеров по пожарной безопасности нужны не только для эффективного предупреждения и тушения пожаров, но и при анализе опасных факторов пожара, проектировании активных и пассивных систем противопожарной защиты, утверждении строительных чертежей и проведении пожарных расследований, консультировании конструкторских, страховых компаний, в крупных корпорациях, правительственных органах, на производственных предприятиях.

Для прогнозирования динамики развития пожаров на различных объектах, разработки эффективных методов локализации и тушения пожаров в максимально сжатые сроки необходимо глубоко изучить физико-химические основы их развития и тушения [2-13].

 

 

1 Определение пожара как физического явления
 и его отличительные особенности на современных объектах

Пожар как физическое явление - это неконтролируемое горение вне специального
 очага, наносящее материальный ущерб [1-13]. Специалисты пожарной охраны под
 пожаром понимают процесс горения, возникший непроизвольно (или по злому умыслу), который будет развиваться, и продолжаться до тех пор, пока либо не выгорят все горючие вещества и материалы, либо не возникнут условия, приводящие к
 самопотуханию, либо
 пока не будут приняты специальные активные меры по его локализации и тушению. Таким образом, очевидно, что горение есть главный и основной процесс на пожаре.

Горением называется сложный физико-химический процесс превращения горючих веществ и материалов в продукты сгорания, сопровождаемый интенсивным
 выделением тепла, дыма и световым излучением, в основе которого лежат быстротекущие химические реакции окисления в
 атмосфере кислорода воздуха [1].

Особенностями горения на пожаре являются:

- склонность к самопроизвольному распространению
 огня до максимальных размеров,

- сравнительно невысокая степень полноты сгорания, интенсивное выделение дыма, содержащего продукты полного и неполного окисления.

Поскольку процесс горения возникает непроизвольно или
 по злому умыслу, то никакие предварительные меры не могут
 полностью исключить вероятность его возникновения, но могут уменьшить степень его опасности и величину
 материального ущерба от него, если применять имеющийся арсенал предварительных конструктивных и профилактических средств и методов по его предотвращению, ограничению
 интенсивности его развития, локализации и тушению [1-15].

Из вышесказанного следует:

- для снижения пожарной опасности любого объекта необходимо
 принимать максимум профилактических, конструктивно-технологических, организационных и других мероприятий, направленных
 на недопущение возникновения пожара;

- при возникновении пожара, необходимо
 предусматривать конструктивно-планировочные и технологические решения, которые снижали бы интенсивность его развития, способствовали бы локализации зоны горения и задымления;

- необходимо предусматривать комплекс мероприятий, направленных на активную локализацию и тушение пожара специальными технологическими приемами, автоматическими и стационарными системами пожаротушения или путем привлечения
 сил и средств пожарной охраны в минимально короткое время [13].

На пожаре одновременно протекает много различных физико-химических процессов и явлений. Одни из них характерны для всех пожаров, а другие - возникают только на некоторых. На любом пожаре имеют место горение с выделением в зоне горения тепла и продуктов горения; массо- и газообмен, осуществляемый по механизму конвективных газовых потоков, обеспечивающих приток
 свежего воздуха в зону горения и отвод продуктов
 горения из нее; передача тепла из зоны горения в окружающее пространство
 (в том числе горючим материалам), без которого невозможно
 непрерывное самопроизвольное продолжение процесса горения
 на пожаре, его развитие и распространение. При этом происходит потеря механической прочности несущих конструкций и их обрушение, взрыв емкостей высокого давления, сосудов и резервуаров с горючими жидкостями и газами, выход из строя приборов и оборудования и т.д. Выделяющееся тепло осложняет обстановку
 на пожаре, затрудняет ведение боевых действий по его локализации и тушению. Эти процессы неразрывно взаимосвязаны и
 взаимообусловлены.

На некоторых видах пожаров встречаются такие специфические явления как выделение продуктов
 неполного сгорания и токсичных продуктов разложения горючих
 веществ; задымление; деформация или обрушение конструкций; 
 разрыв стенок резервуаров со сжатыми газами; взрыв сосудов и резервуаров с горючими газами; повреждение коммуникационных систем; выброс горючих жидкостей и т.п. Эти явления определяют обстановку на пожаре, ее особенности.

Особую опасность с точки зрения динамики развития пожаров представляют взрывы. Они, как правило, возникают внезапно, развиваются с большой скоростью и сопровождаются выделением огромной механической энергии, обладают большой разрушительной силой и нередко сопровождаются человеческими жертвами. При взрыве выделяется большое количество энергии в ограниченном объеме
 за короткий промежуток времени. Образовавшееся тепло недостаточно быстро отводится в окружающее пространство, идет на нагревание и расширение продуктов горения к
 резкому повышению давления в замкнутом объеме. Когда давление превышает конструкционную прочность сосуда или резервуара, то это приводит к его механическому разрушению. Взрыв горючей смеси может произойти внутри сосуда, резервуара, реактора, отдельного помещения или здания и не
 привести к его разрушению, а лишь резко повысить давление и
 температуру внутри него, приводят к нарушению технологического режима или временному прекращению производственного процесса.

Несмотря на то, что за счет появления новых материалов удалось существенно повысить огнестойкость зданий, пожарная опасность выросла из-за увеличения площадей современных производственных и офисных помещений, особенно высокоэтажных, с большим количеством лестничных клеток и лифтовых шахт. В таких условиях эвакуационные
 пути быстро задымляются, что затрудняет прогнозирование динамики пожара, направление и интенсивность его развития. Для отделки зданий часто используют

новые синтетических полимерных материалов, многие из которых являются горючими материалами, обладающие токсичными свойствами и большой дымообразующей способностью. Воспламенение таких материалов способствует заполнению помещений продуктами горения и распространения их в
 эвакуационные пути и смежные помещения. Поэтому в случае
 возникновения пожаров на таких объектах складывается особо
 сложная обстановка по динамике развития пожаров, по токсичности продуктов горения, по изысканию средств и методов эффективного прекращения процессов горения [13]. Кроме того, в последние годы значительно повысилась взрывная и пожарная опасность многих видов производств из-за увеличения мощности энергосиловых установок, температур и давления в технологических установках и аппаратах; расхода горючих газов, жидкостей, сыпучих и твердых горючих
 материалов. Все это привело к повышению пожарной опасности
 производств.

В настоящее время в резервуарных парках хранятся сотни
 тысяч тонн горючих и легковоспламеняемых жидкостей и веществ, находящихся в особо
 пожароопасном состоянии. Добыча, хранение и транспортировка горючих жидкостей и газов возросли до небывалых ранее масштабов. Появилось много новых высокопроизводительных, но пожаро- и
 взрывоопасных методов технологической обработки сыпучих
 горючих материалов, обрабатываемых в «кипящем слое», когда
 они находятся во взвешенном состоянии в интенсивных восходящих токах горячего воздуха или смеси газов с воздухом. В связи с этим современный промышленный объект требует новых, более эффективных приемов и способов тушения пожаров.

Приемы и способы тушения пожаров на современных пожароопасных объектах значительно усовершенствованы. Одной водой невозможно потушить пожар в резервуаре с ЛВЖ, ГЖ емкостью в десятки тысяч кубометров или на газовом фонтане с большим дебитом газа; без новых огнетушащих средств порошкового типа невозможно успешно потушить пожар, связанный с горением металлорганических соединений, гидридов бора и алюминия, или сложный пожар на аэродроме, при аварийной посадке самолета и др. Для эффективного тушения таких пожаров разработаны новые огнетушащие средства: порошковые, пенные, химически активные, комбинированные. Широко используются и разрабатываются новые приемы и способы их подачи в зону горения, такие как [14]:

- автомобили аэродромные АА- 60, 80

- автомобили воздушно-пенного тушения АВ-20, 40,

- автомобили водозащиты АВЗ-1, 6,

- автомобили газоводяного тушения типа АГВТ-100, 150, 200,

- автомобили газодымозащиты и дымоудаления АБГ-3(5301)-007МИ,

- автомобили комбинированного тущения АКТ-0, 5/2, АКТ-2, 5/3,

Разработаны объемные и объемно-локальные способы тушения пожара в помещениях; высокоэффективные способы комбинированного тушения особо сложных пожаров; приемы и способы защиты и эвакуации людей из опасных зон пожара и др.

Для прогнозирования динамики развития пожаров на этих объектах, разработки эффективных методов локализации и тушения пожаров необходимо глубоко изучить физико-химические основы их развития и тушения. Тщательно изучив закономерности и взаимосвязь сложных физических явлений и процессов, обусловливающих развитие и тушение таких пожаров, можно разработать научно обоснованные методы эффективной защиты этих объектов и найти новые эффективные средства и способы тушения пожаров на них в максимально сжатые сроки [13-22].

2 Основы процессов горения на пожаре. Основные понятия и определения

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).

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: