Физико-химические основы развития и тушения пожаров. Особенности возникновения и развития пожаров

2. Особенности возникновения и развития пожаров

2.1. Параметры пожара

При огневом страховании представителю страховой компании необходимо детально познакомиться с результатами обследований объекта инспекторами государственного пожарного надзора (ГПН), в которых отражены характерные для данного предприятия особенности его функционирования, а также нарушения правил пожарной безопасности (ППБ). Это позволит представителю оценить вероятность возникновения страхового случая, предполагаемый ущерб и, в случае необходимости, дать обоснованное заключение или рекомендации по изменению тарифных надбавок или льгот при оформлении страхового полиса. В случае проведения экспертизы страхового случая представитель компании должен уметь либо самостоятельно провести оценку причин возникновения и распространения огня, либо правильно и грамотно поставить задачу перед сотрудниками пожарной охраны. Для этого ему необходимо владеть терминологией, используемой в пожарно-технической документации.

Цель настоящего раздела - познакомить с основными терминами, используемыми в пожарно-технической литературе, а также дать представление о физических закономерностях способствующих или препятствующих возникновению и развитию пожара на объекте.

Продолжительность. пожара.

Продолжительностью пожара, tп [ мин], называется время с момента его возникновения до пол­ного прекращения горения.

Площадь пожара.

Площадью пожара, Fп, м2, называется площадь проекции зоны горения на горизонтальную или вертикальную плоскость.

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.

Под температурой внутреннего пожара, Тп (°С), понимают среднеобъемную температуру газовой среды в помещении, а под температурой открытого пожара - температуру пламени.

Температура внутренних пожа­ров, как правило ниже, чем открытых.

Линейная скорость распространения пожара.

Под этим параметром, Vр, (м/мин), понимают скорость распространения го­рения по поверхности горючего материала в единицу времени.

Линейная скорость распространения горения определяет пло­щадь пожара. Она 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, Vр, которые являются величинами весьма приближенными.

Наибольшей Vр 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 v 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 вертикальный поверхности снизу вверх и сверху вниз приблизительно в 10 раз. Линейная скорость распростра­нения горения по горизонтальной поверхности наиболее часто используется в расчетах. Значения линейной скорости распространения пожара на некоторых типах объектов представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Объекты, материалы	Скорость Vр, м/мин
Административные здания Больницы здания II степени огнестойкости здания III и IV степени огнестойкости Жилые дома (здания III степени огнестойкости)	1,0 - 1,5 0,6 - 1,0 2,0 - 3,0 0,5 - 0,8
Лесопильные цехи:
здания III степени огнестойкости	1,0 - 3,0
здания V степени огнестойкости	2,0 - 5,0 -
Склады:	0
торфа в штабелях	0,8-1,0
круглого леса в штабелях	0,6 - 1,0
льноволокна	3,0 - 5,6
текстильных изделий	0,3 - 0.4
бумаги в рулонах	0,2-0,3
синтетического каучука	0,6 - 1,0
Сушильные отделения кожзавода ( здания
III степени огнестойкости)	1,5 - 2,2
Сгораемые покрытия больших площадей
(включая пустотные)	1,7 - 3.2
Типографии (здания III степени огнестой-
кости)	0,5 - 0,8
Театры (сцены)	1,0 - 3,0
Холодильники	0,5 - 0,7
Цехи:
текстильного производства	0,3 - 0,6
деревообрабатывающего комбината ( ма-
шинная обработка, заготовка, сборка,
фанеровка, производство фанеры в зда-
ниях III степени огнестойкости)	1,0 - 1,6
Древесина (доски в штабелях при 8" 2-
4 см) при влажности, %
8 - 10	4,0
16 -18	2,3
18 - 20	1,6
20 - 30	1,2
более 30	1,0
Пенополиуретан	0,7 - 0,9
Резинотехнические изделия (штабеля на
открытой площадке) ^	1,0 - 1,2
Волокнистые материалы во взрыхленном со-
стоянии	7,0 - 8,0

Интенсивность или плотность задымления.

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 пампы, 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. 2.2.

Таблица 2.2.

Наименование дыма	Плотность дыма, г. тверд .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 1:

Теплота пожара.

Теплота пожара, Q [ кДж/с), характери­зует, какое количество тепла выделяется в зоне горения в еди­ницу времени.

Приведенная теплота пожара Q' [кДж/(м²_*с)] показывает, какое количество тепла выделяется в единицу времени с единицы площади пожара

Скорость выгорания горючих веществ и материалов.

Под скоростью выгорания вещества, Vм, (кг/с), которую иногда называют массовой скоростью, понимают количество материала сгорающего в единицу времени.

Различают, так называемые, приведенную и удельную (истинную) массовые скорости выгорания. Приведенная - показывает какая масса вещества сгорает в единицу времени с единицы площади пожара. Удельная скорость выгорания показывает какая масса вещества сгорает в единицу времени с единицы площади поверхности горения на пожаре, таблица 2.3.

Таблица 2.3

Твердые материалы	Приведенная массовая ско­рость выгорания, кг/(м2*с)
1	2
Бумага разрыхленная	0,008
Древесина в изделиях ( W " 8 - 10%)	0,014
Калий металлический	-
Натрий металлический	-
Карболитовые изделия	0,0063
Органическое стекло	0,0143
Полистирол	0,0143
Пиломатериалы в штабеле на открытой пло-
щадке	0,112
Резинотехнические изделия	0,0112
Текстолит	0,0067
Каучук натуральный	0,0133
Каучук синтетический	0,0088
Кинопленка целлулоидная	1,17
Книги на деревянных стеллажах	0,0055

Интенсивность газообмена.

Интенсив­ностью газообмена, Jг, [кг/(м²_*с)] называется количество воздуха, притекаю­щее в единицу времени к единице площади пожара.

Различают требуемую интенсивность газообмена— Jтр, фактическую - Jф. 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 Jтр характеризует удель­ный расход воздуха, при котором возможна максимальная полнота сгорания горючего материала. Фактическая интенсивность газообмена характеризует фактический приток воздуха на по­жаре, а следовательно, 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 (а следовательно, и 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.

Кроме перечисленных параметров пожара, существуют еще и такие, как; периметр пожара, фронт распространения горения, высота пламени, интенсивность излучения пламени и др. О них будет подробнее рассказано в соответствующем разделе.

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.

Пожарная нагрузка.

Основным фактором, определяющим параметры пожара, является вид и ве­личина пожарной нагрузки, Рпн, [кг/м²]. 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:

P пн = Р / F п

где P пн - пожарная нагрузка,

Р — масса горючих и трудногорючих материалов, кг,

Fп - 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 вели­чина 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 до 500 кг/м².

в складских помещениях, сушилках и т.п. пожарная нагруз­ка 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 8-16 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, по 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 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.

Коэффициент поверхности горения.

Для учета свободной поверхности пожарной нагрузки введен коэффициент поверхности горения Кп, (б/р).

Коэффициентом поверхности горения называют отношение площа­ди поверхности горения Fпг к площади пожара Fп.

При горении жидкостей в резервуарах Кп равен единице. При горении твердых материалов Кп больше единицы. По этой причине для одного и того же вида твердого горючего материала) например, древесины, почти все параметры пожара будут раз­личными в зависимости от Кп (горение бревен, досок, струж­ки).

Коэффициент поверхности горения для некоторых видов объектов приведен в таблице 2.4.

Таблица 2.4

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

Для большинства видов пожарной нагрузки величина Кп 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

2.2 Виды пожаров и их отличительные особенности

2.2.1 Открытые пожары

К открытым пожарам относятся пожары газовых и нефтя­ных фонтанов, пожары складов древесины, хлопка, караванов торфа и других горючих веществ и материалов; пожары горю­чих жидкостей в резервуарах, сжиженных газов в газгольдерах, пожары на технологических установках, таких, как ректифика­ционные колонны, сорбционные башни, этажерки и технологи­ческие установки на объектах нефтяной, химической, нефте­химической, газовой промышленности. К открытым пожарам относятся также лесные и степные пожары, пожары на торфополях, открытых складах каменного угля, сланца и других горючих материалов. В открытые пожары могут перейти и обычные внутренние пожары в зданиях и сооружениях V сте­пени огнестойкости, т.е. имеющие горючую основу.

Особенностью всех этих пожаров являются условия тепло- и газообмена. На этих пожарах не происходит "накопления" тепла в газовом пространстве зоны горения. Горение происходит в более естественных условиях, не ограниченных строи­тельными конструкциями. Теплообмен осуществляется практи­чески с неограниченным окружающим пространством.

Газообмен на открытых пожарах также отличается от газо­обмена на внутренних пожарах. На открытых пожарах он не ограничен конструктивными элементами зданий и сооружений и, следовательно, более интенсивен. Поэтому он в большей сте­пени зависит от внешних естественных газовых потоков: интен­сивности и направления ветра. Интенсивность и направление ветра оказывают большое влияние на процесс горения на открытых пожарах и на зоны пожара.

Зона горения определяется, главным образом, распределением горючих веществ в пространстве и формирующими ее конвективными газовыми потоками. Зона теплового воздейст­вия определяется преимущественно лучистым тепловым пото­ком, так как конвективные тепловые потоки уходят вверх в неограниченное пространство и почти не влияют на зону тепло­вого воздействия на поверхности земли, поэтому они чаще всего не препятствуют ведению боевых действий на пожаре. Мощные восходящие конвективные газовые потоки у основания оча­га горения создают разрежение. Например, у основания газово­го фонтана, горящего резервуара эти потоки создают столь ин­тенсивный обдув свежим воздухом, что несколько снижают тепловое воздействие.

Соответственно изменяется и характер зоны задымления. За исключением горения торфа на больших площадях и леса в без­ветренную влажную (сырую) погоду, зона задымления, как правило, не создает затруднений по борьбе с открытыми пожарами, как на некоторых внутренних пожарах. Эти особенности откры­тых пожаров в значительной степени определяют и специфику методов борьбы с ними, особенности применяемых приемов и способов их тушения и характер боевых действий подразделе­ний пожарной охраны.

Особенности пожаров на газовых, газонефтяных и нефтяных фонтанах.

Пожары фонтанов условно разделяют на три группы: газовые, газонефтяные и нефтяные. Газовыми считаются фонтаны с содержанием горючего газа не менее 95% по массе, газонефтяными - газа более 50% и нефти менее 50% по массе, а нефтя­ными - фонтаны с дебитом нефти более 50% по массе. Кроме того, газовые и газонефтяные фонтаны условно подразделяются по мощности (дебиту) на слабые - с дебитом газа до 2млн.м³/ сутки, средние - от 2 до 5 млн.м³/сутки и мощные - свыше 5 млн.м³/сутки.

При авариях на скважинах истечение газа из фонтанной арматуры происходит при высоких перепадах давления, значительно превышающих критический, т.е. на срезе трубы устанав­ливается скорость истечения, равная скорости звука. Для мете­на скорость звука равна приблизительно 400 м/с.

Горение газового фонтана является диффузионным. В окружающую атмосферу вытекает свежий газ, а горение происходит в результате взаимной диффузии газа и кислорода воздуха.

Горение газовых фонтанов устойчивое, которое может длиться неделями и даже месяцами и не зависит от метеорологических условий - ветра, дождя и т.п. Для ликвидации такого пожара необходимо огромное количество сип и средств.

Особенности пожаров в резервуарах с горючими жидкостями.

Горение жидкости в резервуаре представляет собой горение паровоздушной смеси, образующейся над зеркалом горючей жид­кости. Поток пара к зоне горения поступает непрерывно благо­даря процессу испарения который, в свою очередь, определяет­ся интенсивностью лучистого теплового потока из зоны горе­ния к зеркалу горючей жидкости. Кислород, необходимый для горения, поступает в зону горения из окружающей среды вместе с воздухом, интенсивно притекающим в зону горения под дей­ствием сил конвективной диффузии. Поэтому пламя горючих жидкостей в резервуарах являет диффузионным, когда процесс перемешивания горючего и окислителя происходит посредственно перед зоной протекания химических реакций. Известно, что характер, форма и размеры пламени при прочих равных условиях определяются видом горючей жидкости ее температурой и размерами сосуда. Для небольших сосудов ха­рактерны ламинарные режимы горения. С увеличением объемов сосудов режим горения переходит в турбулентный. Горение жид­костей в технических резервуарах в большинстве случаев быва­ет турбулентным.

Высота пламени горящего резервуара прямо пропорциональна его диаметру. Для турбулентных пламен резервуаров диаметром от 2до 23 м относительная высота пламени может быть принята равной:

для бензина Нпл = 1,50 * Dр;

для дизельного топлива Нпл = 1,0 * Dр;

для этилового спирта Нпл = 0,8 * Dр,

где Dр - диаметр резервуара, м.

В процессе развития пожара в резервуаре может произойти вскипание и выброс горючего вещества через борт. Явление выброса обусловлено вскипанием перегретых слоев воды в процессе прогревания горючего вещества, хранящегося в резервуаре от поверхности вглубь. Выброс происходит в тот момент, когда толщина перегретого горючего вещества достигает уровня воды. Это явление приводит к резкому увеличению площади пожара, интенсивности его распространения и развития. Кроме явления выброса, при определенных условиях может наблюдаться вскипание нефтепродуктов. К вскипанию способны все нефтепродукты, имеющие воду и прогревающиеся при горении выше 100 С. В процессе прогрева нефтепродукта влага, находящаяся в верхних слоях, частично опускается в нижележащие и постепенно на границе прогретых и холодных слоев накапливается слой с повышенным содержанием воды. Когда температура обводненного слоя повышается до 100 С и выше, начинается парообразование. Пузырьки водяного пара, двигаясь вверх, вспенивают нефтепродукт, объем его увеличивается, и если высота сухого борта невелика, то горящий вспененный нефтепродукт переливается через борт резервуара.

Особенности пожаров, связанных с горением твердых горючих материалов

К открытым пожарам, связанным с горением твердых го­рючих материалов, относятся: пожары на складах лесоматериа­лов, лесные пожары, пожары торфополей, а также пожары хлеб­ных массивов и степные пожары.

Пожары на складах лесоматериалов.

Как и все открытые по­жары, пожары на складах лесоматериалов характерны отсутствием ограничений газообмена и своеобразием параметров зон пожара. Особенностью этих пожаров от газонефтяных фонтанов и резервуаров с ЛВЖ, ГЖ является большая скорость их рас­пространения, особенно при наличии ветра, а также распростра­нение пожара на значительные расстояния вследствие разлета искр и головней, переносимых мощными конвективными пото­ками, возникающими в результате образования аэродинамичес­кого вихря в зоне горения.

Характерной особенностью пожаров на складах лесоматериа­лов является большой объем зоны горения, что обусловлено значительным объемом продуктов термического разложения, вы­деляющихся с сильно развитой поверхности горючего материа­ла. Сгорая, эти вещества образуют большое количество нагре­тых продуктов горения, поднимающихся вверх. Вследствие это­го формируются мощные потоки нагретых продуктов горения и свежего воздуха, приводящие к созданию локальной аэроди­намической обстановки, практически не зависящей от метеоро­логических условий. Аэродинамические потоки увлекают за со­бой горящие доски и другие предметы, способные привести к воз­никновению новых очагов пожаров, как правило, на большом рас­стоянии от основной зоны горения (до нескольких сотен метров).

Анализ имевших место пожаров и результаты эксперимен­тальных исследований показывают, что средняя линейная ско­рость распространения фронта пламени на складах лесоматериалов изменяется в широких пределах от 0,1 до 4 м/мин, а в некоторых случаях достигает 10 м/мин и более. Скорость рас­пространения огня зависит, во-первых, от размеров материалов и изделий, а во-вторых, от их влажности. Как известно, ассортимент лесоматериалов, хранящихся на складах, достаточно ши­рок: от щепы и древесных отходов, имеющих минимальные, раз­меры 1 мм, до круглого леса с наименьшим размером бревен 10 см и более.

Горение распространяется по горючему материалу тогда, кор­да температура материала достигает температуры воспламене­ния, т.е. той температуры, при которой состав и количество выделяющихся продуктов разложения обеспечивают образование горючей смеси их с воздухом. То есть время распространения пламени на данный участок поверхности, а следовательно, и ско­рость распространения пламени определяются временем прогрева поверхностного слоя материала до температуры воспламенения.

Таким образом, уменьшение линейных размеров пожарной нагрузки приводит к интенсификации теплового воздействия на подготавливаемые к горению участки материала, а следователь­но, и к увеличению скорости распространения пламени.

Рассмотрим, как линейные размеры элементов пожарной на­грузки влияют на теплоотвод от поверхностных слоев материа­ла. Чем больше, например, толщина досок, тем больше тепла теряется теплопроводностью на прогрев материала. Так как пламя распространяется преимущественно по поверхности мате­риала, то увеличение линейных размеров элементов пожарной нагрузки приводит к возрастанию времени прогрева поверхностного слоя до температуры воспламенения, а следовательно, к снижению скорости распространения пламенного горения.

В натурных условиях скорость распространения пламени по штабелям из досок толщиной 25 мм в 2- 2,5 раза выше, чем по штабелям из досок толщиной 50 мм.

Большое влияние на скорость распространения пламени ока­зывает влажность древесины. Во-первых, повышается теплоем­кость влажного материала, следовательно, увеличиваются затраты тепла на его нагрев; во-вторых, требуются дополнительные затраты тепла на испарение влаги; в-третьих, увеличивается теплопроводность материала, что вызывает дополнительные по­тери тепла на прогрев материала, и т.п.

Пожары на складах лесоматериалов, особенно пиломатериа­лов, характеризуются высокими скоростями выгорания. Это связано прежде всего с тем, что штабели, в которых хранятся пиломатериалы, обладают сильно развитой поверхностью горе­ния. Поэтому приведенная массовая скорость выгорания (с единицы площади пожара) может составлять при горении шта­белей несколько десятков килограммов с 1 м² пожара в минуту

Лесные пожары.

Вероятность возникновения и распростране­ния лесных пожаров существенно возрастает в сухую жаркую погоду, когда происходит не только подсушивание, но и пред­варительный разогрев горючих материалов. Скорость распространения огня днем больше, чем ночью. В ночное время, кроме охлаждения материала за счет снижения температуры окружающей среды, происходит увеличение равновесной влажности горю­чих материалов.

На распространение лесных пожаров влияет рельеф мест­ности. Если пожар распространяется вверх по склону, его рас­пространению способствует предварительный разогрев лесных горючих материалов конвективными потоками нагретых продуктов горения. Скорость распространения пожара в этом случае больше, чем на горизонтальном участке леса. При распростра­нении пожара вниз по склону скорость уменьшается.

В зависимости от вида горючих материалов, по которым про­исходит распространение пожара, различают низовые и верховые лесные пожары.

При низовом пожаре сгорает и выделяет тепло лесная под­стилка, состоящая из опавших листьев, хвои, сучьев и веток. При низовых пожарах сгорает также живой покров: мох, кустар­ник и трава. Особенностями этих пожаров являются сравнитель­но невысокая скорость распространения (до 5 км/час) и небольшая высота пламени (до 2-2,5 м).

При низкой влажности горючих материалов подстилки и жи­вого покрова, а также при их большом количестве низовой по­жар может видоизменяться в верховой, когда распространение пламенного горения происходит по кронам деревьев. Этот вид пожаров является наиболее губительным для лесных массивов.

При благоприятных погодных и рельефных условиях скорость распространения верховых пожаров может достигать 25 км/час. Быстрому развитию лесных верховых пожаров способствует ве­тер, достигающий 6-12 м/с. Другим фактором, способствующим быстрому увеличению площади лесных пожаров, является созда­ние мощной конвекционной колонки (высотой до 5 км), за счет которой на высоту свыше 1 км поднимаются горящие угли. Вы­падая на еще негорящие участки леса, они образуют новые оча­ги пожаров, которые затем сливаются с основной зоной горения.

Торфяные пожары.

Торф в естественных условиях не спосо­бен к самостоятельному горению из-за значительной равновес­ной влажности. Однако при длительном сохранении жаркой за­сушливой погоды создаются условия для возникновения торфя­ных пожаров даже на неосушенных полях. Залежи торфа, подго­товленные к разработке (осушенные), способны гореть даже весной. Особенно опасными с точки зрения возникновения и рас­пространения пожара являются караваны, а также торфополя на предприятиях фрезерной добычи, где торфяная масса перера­батывается в мелкую крошку, а затем высушивается.

На скорость распространения пожара большое влияние ока­зывает скорость ветра. Так, при скорости ветра 10 м/с и бо­лее горящая крошка легко поднимается воздушными потоками и переносится на значительные расстояния (до 50м), образуя новые очаги пожара. Скорость распространения пожара достигает 20-2 5 м/мин. Форма площади пожара на торфополях чаще всего бывает угловой с расширением ее по направлению ветра. Перено­симая ветром горящая крошка представляет опасность для людей.

Торфяная масса содержит в своем составе (в порах) доста­точное количество воздуха, поэтому способна гореть по гетерогенному механизму (тлеть) даже без доступа воздуха, обра­зуя подземные прогары, которые при тушении пожаров пред­ставляют серьезную опасность для людей и техники. Скорость распространения подземного пожара невелика и, как правило, не превышает нескольких метров в сутки.

Степные пожары и пожары хлебных массивов,

Эти пожары являются наиболее опасными в периоды устойчивой засушливой погоды. Скорость распространения пожара достигает 700 м/мин. Такая высокая скорость распространения пламени при горении растительного покрова обусловливается характеристи­ками горючего материала. Трава и злаковые растения, по ко­торым распространяется пожар (листья, веточки), имеют очень незначительные размеры сечения. Стебли высохших растений представляют собой тонкостенные полые трубки и легко вос­пламеняются под воздействием фронта пламенного горения. Наличие ветра способствует увеличению скорости распростране­ния пламени вследствие наклона факела пламени к еще негорящим материалам, а также из—за переноса искр воздушными потоками.

Другой особенностью таких пожаров является сравнительно небольшая ширина фронта пламенного горения, что обусловлено малым запасом горючих материалов на единице площади по­жара и высокой скоростью выгорания. Иногда при таких по­жарах образуются так называемые смерчи, которые способст­вуют переходу огня через естественные и искусственные препят­ствия (реки, дороги, перепаханный полосы и т.д.) шириной до 12м.

Степные пожары, пожары лугов, полей и хлебных массивов могут переходить в лесные, торфяные пожары и вызывать пожа­ры населенных пунктов, сельскохозяйственных и промышленных предприятий, к которым прилегают территории, покрытые соответствующими горючими материалами. Не отличаются по ме­ханизму распространения и выгорания от рассмотренных видов пожаров пожары буртов хлопка, стогов сена и соломы.

В случаях загорания этих объектов пламя быстро распрост­раняется по их поверхности, а затем происходит процесс отно­сительно медленного выгорания. Выгорание резко интенсифици­руется при наличии ветра, когда скорость подвода воздуха к тлеющей поверхности горючего увеличивается. В этом случае возможен перенос горящих частиц и увеличение площади.

1. Внутренние пожары.

Возникновение пламенного горения.

Зажигание горючих жидкостей.

Зажигание можно определить как такой процесс, с помощью кото­рого возникает быстрая экзотермическая реакция, распространяющаяся на материал, вызывая в нем изменения, приводящие к резкому повы­шению температуры относительно температуры окружающей среды. Так, зажигание стехиометрической пропано-воздушной смеси вызывает реакцию окисления. Эта реакция в виде пламени распространяется по смеси, превращая углеводородные соединения в диоксид углерода и водяной пар характерной температуры, заключенной в диапазоне 2000-2500 К. Удобно различать два характерных вида возникновения процесса горения, а именно: вынужденное зажигание, при котором воспламенение возникает в горючей паровоздушной смеси с помощью некоторого источника зажигания, такого, как электрическая искра или постороннее пламя; 2) самовоспламенение, при котором воспламене­ние развивается спонтанно внутри горючей смеси. Для достижения пла­менного горения жидких и твердых горючих веществ необходим внешний подвод тепла. Исключение составляет вынужденное зажигание воспламеняющихся жидкостей, температура воспламенения которых ниже температуры окружающей среды, таблица 2.5.

Таблица 2.5

Температуры вспышки и воспламенения жидких горючих

Горючая жидкость	Температура вспышки, полученная на установке закрытого типа, °С	Температура вспышки, полученная на установке открытого типа, °С	Температура воспламенения, °С
Бензин (100 октан)	-38	-	-
n-гексан	-22	-	-
Циклогексан	-20	-	-
n-октан	13	-	-
Изооктан	-12	-	-
n-декан	46	52	61,5
n-додекан	74	-	103
Метанол	11	1(13,5)	1(13,5)
Этакол	13	6(18)	6(18)
Пропакол	26	16,5(26)	16,5 (26)
n-бутанол	35	36(40)	36(40)
n-пентанол	41	-	57
n-ксилен	27	31	44

Жидкости с низкими температурами вспышки представляются пожароопасными при обычных температурах, так как их пары могут загореться от искры или от пламенного источника. Если такую паровоздушную смесь поместить в замкнутый сосуд, она может оказаться взрывоопасной, хотя возгорание может произойти лишь при условии, если температура жидкости превысит температуру само­воспламенения. Температура вспышки, полученная в закрытой установ­ке, всегда используется в качестве показателя пожароопасности, так как попускаемая при этом погрешность идет в сторону большей безопаснос­ти, если степень риска связана лишь с возможностью возникновения пожара. В Великобритании жидкости, температура вспышки которых ниже 32С и определена на установке закрытого типа, классифи­цируются как легковоспламеняющиеся, и обращение с ними регламен­тируется особыми правилами ("Правила обращения с легковоспламе­няющимися жидкостями и с сжиженными нефтяными газами", 1972). Жидкости с температурами вспышки, находящимися в диапазоне от 32 до 60С, относятся к воспламеняющимся жидкостям, а жидкости с температурой вспышки выше 60°С классифицируются как горючи.

На открытом воздухе громадные хранилища легковоспламеняющихся жидкостей могут вызвать образование воспламеняющейся паровоздушной смеси значительного объема, который может распространяться далеко за пределы границ хранилища. Введение в этот объем источ­ника зажигания приведет к тому, что пламя перекинется на хранилище, выжигая пары у зеркала жидкого горючего, первоначальная темпе­ратура которого была выше верхнего предела, - все это приведет к образованию сначала неустановившегося диффузионного пламени, а затем к установлению режима стационарного горения. При наличии ветра область воспламенения будет расширяться в подветренную сторо­ну хранилища. Распределение пламени будет зависеть от давления жид­кости, скорости ветра и степени турбулентности атмосферы.

Жидкость с высокой температурой вспышки можно поджечь лишь при условии, если ее нагреть выше температуры воспламенения. При стандартных испытаниях, регламентируемых документом [262], масса жидкости подвергается равномерному прогреву, хотя для установления режима стационарного горения достаточно было подвергнуть нагреву лишь поверхностные слои жидкости. Можно, конечно, достигнуть этого путем воздействия тепловым потоком на зеркале жидкости (например, хранилище жидкого горючего подвергается лучистому воздействию возникшего поблизости пожара), но чаще всего приходится сталкиваться с локальным тепловым воздействием. Примером такого воздействия может быть удар пламени по зеркалу жидкого горючего в хранилище и близкое к зеркалу воспламенение. Распространение пламени до пол­ного охвата зеркала занимает некоторое время, так как тепло быстро рассеивается от области непосредственного теплового воздействия пу­тем конвекции.

Зажигание твердых горючих материалов.

Понятия "температура вспышки" и "температура воспламенения" можно отнести и к твердым веществам при условии нагрева их поверхности, но эти понятия нельзя ввести исходя из средней температуры массы вещества. Образование горючих летучих продуктов включа­ет процесс химического разложения твердого вещества, который носит необратимый характер. В данной ситуации нечего поставить в соответствие понятию равновесного давления паров, которое используется для подсчета температуры вспышки жидкого горючего вещества. Можно предположить, что температуру воспламенения твердого вещества определяют на основе знания температуры поверхности. Если тепловой поток является непрерывным, то условие, соответствующее температуре воспламенения, можно охарактеризовать минимумом температуры поверхности, при которой исходящий с этой по­верхности поток летучих продуктов будет достаточным для поддержания пламенного горения на поверхности. Можно выделить ряд факторов, которые, по-видимому, существенны для достижения температуры воспламенения. К этим факторам можно отнести эффекты, связанные с химической реакцией, проходящей на поверхности и под ней. Сюда же можно отнести и движение летучих продуктов сквозь поверхностные слои. Тем не менее влияние указанных факторов можно отнести ко вторичным эффектам, что позволяет выделить подлежащие изучению основные моменты, влияющие на процесс зажигания твердых веществ. Большинство теоретических и экспериментальных исследований концентрировались на зажигании, индуцированном лучистым тепловым потоком. Первоначальным стимулом для проведения этих исследований было понимание того, что уровни теплового излучения при ядерном взрыве могут оказаться достаточными для зажигания горючих материалов на больших расстояниях от центра взрыва. Однако совсем недавно стало очевидным, что излучение играет фундаментальную роль в развитии и распространении пожара во многих случаях, таких как пожары открытых очагов (штабелей, сложенных из бревен или брусьев и т.д.) и помещений. Существенным является процесс зажигания излучением, хотя нельзя при этом игнорировать и зажигание при конвективном теплообмене.

Самовозгорание твердых горючих материалов.

Может случиться так, что при отсутствии источника зажигания ле­тучие продукты, исходящие из поверхности горючих твердых веществ, загорятся спонтанно. Это может произойти при условии, если смесь воздуха с летучими продуктами в какой-либо зоне восходящей струи приобретет достаточно высокую температуру . При этом потребуется более мощный тепловой поток, чем это бывает при вынужденном зажигании, потому что для этого необходимо более высокая температура поверхности. Некоторые данные, связанные с этим явлением приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6

Форма теплообмена	Температура поверхности древесины, С, при зажигании	Температура поверхности древесины, С, при самовоспламенении
Лучистый	600	340 - 410
Конвективный	490	450

Механизм самовозгорания был уже рассмотрен, но при лучистом тепловом потоке существует возможность того, что поглощение излучения летучими продуктами распада может инициировать начало химической реакции. Известно, что летучих продукты могут довольно существенно усилить излучение, достигающее поверхности. Летучие продукты могут быть зажжены путем интенсивного облучения лазером, но насколько существенно влияние этого фактора в обстановке реального пожара еще неизвестно.

В работе [206] сделано интересное наблюдение по температурам на поверхности, которые необходимы для вынужденного зажигания и воспламенения древесины при лучистом и конвективном нагреве. Полученные результаты легко можно объяснить, если вспомнить, что вынужденный конвективный поток снижает концентрацию летучих продуктов, а следовательно, требует более высокой температуры поверхности для образования сме­си, которая будет обладать температурой выше нижнего предела воспла­менения при наличии источника зажигания. С одной стороны, для того чтобы произошло самовозгорание в результате лучистого теплообмена, летучие продукты, исходящие из поверхности, должны обладать доста­точно высокой температурой для образования горючей смеси, которая в свою очередь имела бы температуру выше температуры самовозгорания, когда она перемешивается с ненагретым воздухом. А, с другой стороны, при конвективном нагреве воздух уже обладает высокой температурой, и летучие продукты не нуждаются в более высокой температуре.

Развитие внутренних пожаров

Внутренние пожары протекают в ограниченном объеме, огражден­ном от окружающего пространства. Поэтому внутренний пожар слабее зависит от характеристик окружающей среды, т.е. погоды, и в зна­чительной степени определяется теплогазообменом зоны горения с внутренним объемом и окружающей средой.

Эти процессы более сложные, чем в случае открытого пожара; они, главным образом, и определяют характер его развития или динамику пожара. Под динамикой пожара понимается изменение его основных параметров в пространстве и времени.

Значения этих параметров, а, следовательно, характеристики зон внутреннего пожара определяются теплообменом и газообменом с окру­жающей средой.

Скорость, с которой будет развиваться пожар, зависит от то­го, насколько быстро может распространиться пламя от точки зажи­гания, вовлекая в процесс горения все возрастающие области горючего материала. Для установления процесса горения в закрытом прос­транстве требуется, чтобы пожар вышел за определенные критические размеры, позволяющие резко повысить температуру на уровне потолка (типичное повышение > 600 С). Хотя усиленные уровни излучения уве­личивают локальную скорость горения, большее влияние на увеличе­ние размера пламени и скорость горения оказывает увеличивающаяся площадь, охваченная пожаров. Вот почему необходимо проанали­зировать характеристики распространения пламени по горючим мате­риалам.

Распространение пламени можно рассматривать как процесс нас­тупления фронта горения. Внутри этого фронта передняя кромка пламени действует как источник тепла (которое нагревает горючее перед фронтом пламени до температуры воспламенения) и как источ­ник вынужденного зажигания. Рассмотрение этого процесса требует рас­смотрения стационарных задач теплообмена, аналогичных, если не идентичных тем задачам, которые были рассмотрены в контексте вы­нужденного зажигания твердых веществ. Следовательно, скорость рас­пространения пламени может зависеть как от физических свойств ма­териалов, так и от его химического состава. Различные известные факторы, которые играют существенную роль при определении скорос­ти распространения пламени горючих твердых веществ представлены в виде табл.2.7 .

Таблица 2.7.

Факторы, влияющие на скорость распространения

пламени по горючим материалам

Свойства материала химические	Свойства материала физические	Факторы окружающей среды
Состав горючего Наличие замедлителей горения	Начальная температура. Ориентация поверхности. Направление распространения. Толщина. Теплоемкость. Теплопроводность. Плотность. Геометрия. Однородность.	Состав атмосферы. Атмосферное давление. Температура. Действующий тепловой поток. Скорость ветра.

В самом общем виде большинство внутренних пожаров может быть ус­ловно разделено на три характерных периода.

Первый период или начальная стадия пожара характеризуется сравнительно невысокой среднеобъемной температурой незначи­тельным газообменом с окружающей средой. Горение протекает за счет воздуха, содержащегося в помещении. Считает­ся, что под начальной стадией надо понимать период развития пожа­ра, заканчивающийся т.н. объемным воспламенением горючей нагруз­ки. В этом есть определенный смысл: т.к. по мере развития пожара повышается температура, прогревается горючая нагрузка и при дос­тижении ее температуры поверхностного слоя, равной температуре вспышки, может произойти весьма быстрое (объемное ) распростране­ние горения).

Второй или основной период начинается от начальной стадии до момента, когда среднеобъемная температура достигает максимальных значений. В этот период сгорает основная доля пожарной нагрузки ( ~ 80 % ).

Заключительный (третий ) период характеризуется снижением теплоты пожара, убыванием температуры пожара. Рост площади пожа­ра замедляется или совсем прекращается. Исходя из сказанного мож­но графически представить изменения во времени основных парамет­ров пожара: площади и среднеобъемной температуры.

Т_П температура пожара

F_п

площадь пожара

0 Время

Несмотря на низкую температуру на первом этапе пожара, внут­ри и вокруг зоны горения местные температуры достигают значи­тельного уровня. В течение периода нарастания пожар увеличивает свои размеры, сначала достигая, а затем проходя момент, при кото­ром значительную роль начинает играть взаимодействие с границами помещения. Переход к полностью развитому пожару (этап 2) назван этапом полного охвата помещения пламенем, при этом пламя быстро распространяется от области местного горения на все возгораемы поверхности внутри комнаты. В обычных условиях переход этот неп­родолжителен по сравнению с длительностью основных этапов пожара, но он часто рассматривается как поворотное событие, подобное то­му явлению, каким является зажигание. На этапе полностью развитого пожара интенсивность тепловыде­ления достигает максимума и угроза соседним помещениям и, вероят­но, соседним зданиям наибольшая. Пламена могут вырываться через окна, двери и т.д., что приводит к распространению пожара на ос­тальную часть здания. Это распространение может носить внутренний (через открытые дверные проходы), либо внешний характер (через ок­на). Кроме очевидной угрозы жизни оставшихся в здании людей на данном этапе может произойти разрушение конструкции, которое мо­жет вызвать либо частичное, либо полное обрушение здания. В пе­риод охлаждения (этап 3) интенсивность горения уменьшается по ме­ре того, как в составе горючих веществ все меньше и меньше будет оставаться летучих продуктов. В конце концов, пламя прекратится, оставив за собой массу тлеющих в золе углей, которые, хотя и медленно, будут продолжать гореть в течение некоторого времени, в ре­зультате чего будут поддерживаться высокие местные температуры.

Соотношение времен этих периодов (длительность) может быть самой различной, т.к. оно зависит от многих факторов, например, от :

1. Величины пожарной нагрузки

Т_п Р_пн1 > Р_пн2

Р_пн2

Р_пн1

0 Время

2. Интенсивности газообмена, характеризуемого в данном случае от­ношением площади проемов (F1) к площади пожара (Fп)

Тп Пожары с высокотемпературным режимом

1 2 3

(F₁/F_п) > (F₁/F_п) > (F₁/F_п)

Пожары с низкотемпературным режимом

1

2

3

Время

Большое влияние на динамику пожара оказывает такой параметр F1/Fпола, оценка которого менее трудоемка, чем (F1/Fп). В зависи­мости от величины этого параметра динамику пожара может опреде­лять или значение пожарной нагрузки (F1/Fпола > 1/12) [ ПРН ] или же газообмен (F1/Fпола < 1/12) [ ПРВ ]. Кроме этого на распространение пожара влияют такие факторы, как ориентация поверхности и толщина горючего материала, геометрия и теплофизические характеристики образца, условия окружающей среды.

Ориентация поверхности и направление распространения пламени

Наибольшая скорость распространения пламени достигается если пламя распространяется вверх. С другой стороны, при распространении пламени вниз скорость распространения пламени менее чувствительна к изменению ориентации поверхности. По мере изменения угла ориентации от -90°(вертикально вниз) до -30°, скорость распространения пламени остается приблизительно постоянной, Но при изменении от -30 до 0° скорость может возрастать более чем в 3 раза.

Причина такого поведения кроется в изменении характера физического взаимодействия между пламенем и зажженным материалом при изменении на ближнюю вертикальную поверхность, так как захват воздушных масс ограничен одним направлением. Следовательно, при вертикальном горении установившееся пламя будет удлиняться и запол­нять пограничный слой на поверхности.

Толщина горючего вещества

Фронт пламени представляет собой некоторую условную границу, в ра­боте [433] называемую поверхностью возникновения пожара, которая разделяет два экстремальных состояния горючего: свежее и горящее горючее. Движение этой границы по горючему можно рассматривать как распространение фронта воспламенения. Интенсивность теплооб­мена путем теплопроводности от поверхности к внутренней области горючего существенно влияет на процесс распространения пламени, как это имеет место при зажигании. Таким образом, если уровень горючего весьма незначителен, и горючее можно рассматривать как модель со средней теплоемкостью, в которой отсутствует температурный градиент между поверхностями образца, можно теоретически показать, что скорость распространения будет обратно пропорциональна толщине т материала. В литературе имеется достаточ­ное число свидетельств в пользу этого вывода. Воздухопроницаемость материала не оказывает существенного влияния на скорость распространения пламени [271].

По мере увеличения толщины слоя горючего скорость распростра­нения становится в конце концов независимой от толщины. Это сопро­вождается изменением преобладающей формы теплообмена, с помощью которой он осуществляется перед фронтом пламени: от теплопровод­ности через газовую фазу для материалов небольшой толщины до теплопроводности через твердое тело для материалов боль­шой толщины.

Плотность, теплоемкость и теплопроводность

Различие между термически толстыми и термически тонкими мате­риалами было уже отмечено. Глубина прогрева задается приблизительно значением (at), где a — коэффициент температуропроводности (k/pc), а t - время, с, в течение которого поверхность твердого вещества подвергается воздействию теплового потока. Для наступающего фронта пламени это время для свежего горючего составляет 1/V, где V - скорость распространения, а L - зона прогрева, т. е. длина образца в направлении, перпен­дикулярном наступающему пламени, над которым температура подни­мается от То (температура окружающей среды) до температуры, соответствующей температуре воспламенения.

Влияние условий окружающей среды

а) Состав атмосферы.

С увеличением в атмосфере концентрации кислорода горючие материалы легче зажигаются, пламя распространя­ется быстрее, да и сам процесс горения проходит энергичнее. Это сооб­ражение имеет чисто практическое значение, так как следует считаться со случайным появлением во многих местах обогащенной кислородом атмосферы.

Сюда, например, относятся случаи утечки кислорода из системы кислородного снабжения оборудования больниц или случаи утечки кислорода из кислородных баллонов, используемых при ацетиленовой сварке, а также в ряде других случаев, где появление обогащенной кислородом атмосферы может носить преднамеренный характер (на­пример, в кислородных палатах отделений интенсивной терапии). Обо­гащенная кислородом атмосфера представляет собой одну из возмож­ных модификаций атмосферы, в которой парциальное давление кисло­рода выше, чем парциальное давление кислорода в нормальной ат­мосфере (160 мм рт. ст.) [275] . Таким образом, необходимо считаться с потенциальной пожароопасностью таких ситуаций, при которых имеет место искусственное повышение давления (например, при эксплуатации водолазного колокола или при проведении проходческих работ в тон­нелестроении).

Всякое увеличение концентрации кислорода в воздухе сопровождается увеличением скорости распространения пламени. Это происходит потому, что пламя будет иметь в этих условиях более высокую температуру, и теплоотвод от пламени к горючему будет выше, чем при обычных условиях. Кроме того, пламя будет располагаться ближе к поверхности горючего, таким образом увеличивая интенсивность теплопередачи. В работе [195] было найдено, что скорость распространения пламени по деревянным поверхностям в смесях O₂/N₂ и О₂/Не зависит от соотношения (О₂) /С_g, где 0₂ - концентрация кислорода, a С_g - тепло­емкость атмосферы. Следует также учесть и то, что изменение С_g влияет и на температуру пламени. Таким образом, это позво­ляет продвигаться пламени ближе к поверхности при значениях С_g, мень­ших значений этой величины в воздухе.

б). Температура горючего.

Увеличение температуры горючего при­водит к увеличению скорости распространения пламени. Можно предположить, что чем выше перво­начальная температура горючего, тем меньше тепла потребуется для подъема температуры свежего горючего до температуры воспламенения.

в). Воздействие лучистым тепловым потоком.

Воздействие лучистого теплового потока вызывает увеличение скорости распространения пламени главным образом за счет предварительного нагрева свежего горючего перед фронтом пламени.

г). Воздействие воздушного потока (ветра).

В общем случае воз­душный поток, совпадающий по направлению с направлением распро­странения пламени, увеличивает скорость распространения пламени по горящей поверхности. Механизм этого яв­ления, по-видимому, связан с отклонением пламени, который в соче­тании с усилением процесса горения за фронтом пламени вызовет увели­чение скорости теплоотвода перед фронтом пламени. Если поток направ­лен против распространения пламени, то чистый эффект зависит от ско­рости ветра. При достаточно больших скоростях происходит уменьше­ние скорости распространения (и в конце концов пламя затухает), но при низких скоростях ветра встречный воздушный поток может способ­ствовать распространению пламени.

Обычно "опасность" пожара оценивают путем пожарных испытаний в условиях т.н. "стандартного" пожара. Для него получена и введено понятие "стандартной" кривой по температуре пожара. Хотя в доку­ментах имеющих силу у нас в стране, в США и др. странах эта кривая зафиксирована рядом промежуточных данных, более распростра­ненной формой является кривая построенная по математической фор­муле:

Т = То + 345 * log(0.133 _* t + 1),

где t - время развития пожара, мин.

По этой формуле построена кривая, представленная на рисунке:

стандартная кривая

Т_п

60 кг/м²

600

400

30 кг/м²

200

15 кг/м²

0 10 20 30 40 50 время, мин

В качестве важного показателя при определении потенциальной серьезности пожара выдвигалась пожарная нагрузка. Основываясь на этом предположении опасность пожара может быть оценена на основа­нии понятия, известного как " гипотеза равных площадей". В соот­ветствии с этой гипотезой принимается, что два пожара будут оди­наково серьезны, если площади под кривыми зависимости температу­ры от времени этих двух пожаров (выше основной линии 150 С или 300 С) будут равны

Таким образом, требование к огнестойкости элемента, находящегося в условиях реального пожара, приведенного на рисунке, соответ­ствует 50 мин огнестойкости воздействия при стандартном испытании.

Однако фактически на пожарах распределение температуры неравномерно по объему: и в плане, и по высоте. И это может быть сущес­твенно для организации тушения пожара.

В помещениях с большой интенсивностью газообмена, и высоким температурным режимом, нейтральная зона располагается сравни­тельно высоко. Поток холодного воздуха велик и в его нижней части возможно пребывание людей. В этих помещениях сравнительно быстро можно создать благоприятную для тушения обстановку:

- вскрыть или закрыть проемы,

- ввести в действие дымососы,

- работать стволами через проемы.

В помещениях с низкотемпературным режимом пожара из-за слабого газообмена и низкого расположения нейтральной зоны, температура по высоте и в плане помещения становится почти одинаковой и близ­ка с среднеобъемной. Минимально опасная для человека температура 60 С устанавливается в течении первых минут и к моменту прибытия подразделений проникнуть к очагу горения без КИП и теплозащитных костюмов невозможно. Поэтому в таких помещениях надо принимать меры для снижения температуры.

При подаче воды на горящую поверхность происходит ее испаре­ние, вследствие чего приток воздуха уменьшается, возникающие кон­вективные потоки выравнивают температуру в объеме помещения. Это приводит к необходимости применять теплозащитные средства.

Как следует из приведенных примеров для прогнозирования развития пожаров недостаточно иметь представление о величине среднеобъемной темпе­ратуры; необходимо оценить ее изменение по высоте помещения и в плане.

Газообмен на внутреннем пожаре.

Описание любого пожара, а тем более внутреннего, не мыслимо без понимания явления газообмена между зоной горения и внутрен­ним объемом помещения и окружающей средой.

Зона горения является мощным побудителем движения воздушных масс в объеме помещения. С уменьшением проемности помещения изменяются параметры пожа­ра:

- снижается скорость выгорания,

- снижается температура пожара,

- возрастает дымообразующая способность, т.е. снижается пол­нота горения,

- увеличивается продолжительность пожара.

На начальной стадии пожара горение протекает за счет воздуха помещения, нагретые продукты, объем которых невелик, поднимаются вверх, успевая охладиться в объеме помещения.

С ростом интенсивности горения растет среднеобъемная температура, уменьшает­ся плотность, под перекрытием помещения создается избыточное дав­ление по сравнению с давлением на этой же высоте на открытом пространстве. Возникает движущаяся сила, приводящая к выходу про­дуктов из помещения через проем в окружающую среду. Начинается процесс перемещения газовых масс, горячие продукты (газы) выходят в окружающее пространство, холодный воздух посту­пает в помещение: вверху создается избыточное давление, внизу ­разрежение. Если объем помещения мысленно рассечь по высоте горизон­тальными линиями, то всегда найдется такая плоскость, в которой избыточное давление ровно равно нулю. Плоскость, на уровне кото­рой давление равно атмосферному, а перепад давлений - нулю, назы­вается зоной равных давлений или нейтральной зоной (НЗ). Нейтральная зона может в различных помещениях находиться на разной высоте или менять свое значение в одном и том же помеще­нии в зависимости от пожара. Положение НЗ очень важно для тех, кто тушит пожар и очень часто ее "регулируют" с целью снижения задымленности и температуры в рабочей зоне при тушении.

На скорость движения воздуха оказывает влияние соотношение площа­дей приточных и вытяжных проемов и расстояние между их центрами по высоте. Поэтому увеличение высоты расположения вытяжных прое­мов приводит к увеличению скорости газовых потоков, а, следова­тельно, и скорости распространения пламени и скорости выгорания.

Известны случаи, когда при пожарах на сценах театров при открытии дымовых люков скорость воздуха достигала более 15 м/с, а пламя распространялось на покрытие на высоте 30 м за 2 - 3 мин. (Из экспериментов известно, что при изменении скорости ветра в 3 раза (с 1 до 3 м/с) скорость распространения пламени по гори­зонтальной поверхности древесины возрастало в 2 раза - с 0.8 до 1.9 м/с. В результате большого перепада давления в окнах выдавливались стекла. Поэтому чтобы ограничить развитие пожара надо, прежде всего до минимума сократить площадь приточных проемов (F₁), затем для снижения скорости притока воздуха и увеличения вытяжки дыма,F₂, сле­дует площадь вытяжных отверстий привести в соответствие с пло­щадью приточных, табл 2.8.

Таблица 2.8

Высота помещения, м	F1/F2
до 3	0.4 - 0.5
более 3	0.7 - 1.0

В таких случаях обеспечивается минимальный приток воздуха при вы­соте НЗ выше рабочей плоскости.

Если газообмен осуществляется через один проем или несколько проемов, расположенных на одном уровне, высота НЗ определяется по формуле:

0,5 _* Н_пр

h_нз = ------------

₃ _____

1+? r_в/r_пг

, где Н_пр - высота проема, м;

r_в - плотность воздуха, кг/м³,

r_пг - плотность продуктов горения, кг/м³.

Важным параметром, характеризующим газообмен на пожаре, является

коэффициент воздуха:

G_в^факт

a = --------

G_в⁰

G_в^факт - количество воздуха, поступающего через проемы, кг/с,

G_в⁰ - теоретически необходимое количество воздуха, кг/с.

Запишем расчетные формулы для G_в^факт и G_в⁰:

G_в^факт = m _* v_{в *}F_{1 *} r_в.

G_в⁰ = v_м^` _* F_{п *} V_в⁰ _* r_в,

где m - коэффициент гидравлического сопротивления проемов, (0.5),

v_в - скорость притока воздуха через проемы, м/с,

v_м - приведенная скорость выгорания горючего материала, кг/(м² с).

Следовательно

m _* v_{в *}F₁

a = ----------

v_м^` _* F_{п *} V_в⁰

Из формулы следует, что при увеличении теоретического количества воздуха ( V_в⁰), при прочих равных условиях, a понижается.

a

F₁/F_п = 1/3

a ₁

a ₂

F₁/F_п = 1/24

0

V_в⁰

Напротив, с ростом отношения F₁/F_п a растет.

a

0

F₁/F_п

Из формулы также следует, что при определенном соотношении входящих в нее величин, a может быть больше или меньше 1. Экспериментально, чаще всего a определяют по процентному содержанию кислорода в про­дуктах сгорания.

В течении первых нескольких минут a резко уменьшается, в свя­зи с расходованием кислорода воздуха, находящегося в помещении. Последующий период характеризуется сравнительной стабильностью, т.к. устанавливается газообмен через проемы и неплотности. В пос­ледующем возможен рост a или за счет уменьшения скорости выго­рания материала, т.е. переход в режим тления, или в результате вскрытия дополнительных проемов (лопнули стекла).

Экспериментально установлено, что коэффициент избытка воздуха и скорость притока воздуха в помещение в основном определяют­ся площадью проемов и значительно меньше зависят от температуры в помещении. Приняв это во внимание, надо отметить, что для пос­тоянной площади проемов скорость выгорания, v_м, является величи­ной относительно постоянной. Произведение v_м^` * F_п зависит от величины приведенной скорости выгорания и скорости распростране­ния пламени,

т.к. последний, в конечном итоге определяет площадь пожара Fп.

На основании исследований, проведенных Американским обществом ис­следования поведения материалов на пожаре, получена следующая за­висимость (для древесины):

v_м / F_п,

кг/(м² с)

0,01

0 0,1 0,2 0,3 Ф_, кг/(м² с)

На графике имеют место следующие обозначения:

F_пг (= F_п * К_п), м², - поверхность горения,

__ ___

r_{в *} ? g _* F_{пг *} ? Н_пр

Ф = --------------------------- .

F_пг

Для пожаров, регулируемых горючим: Ф< 0.235 кг/(м² с),

Для пожаров, регулируемых вентиляцией: Ф> 0.29 кг/(м² с).

При установившемся режиме пожара независимо от вида горючего горение протекает при некотором определенном коэффициенте избыт­ка воздуха, постоянном для различных веществ ( в данном случае 3.5 - 4).

Полезны, по-видимому, будут такие сведения:

- газообмен через проемы оказывает влияние на развитие пожара в том случае, когда площадь пожара в 4 -6 раз превышает площадь приточ­ной части проемов ( F1/Fп < 5 );

- при достижении F1/Fп = 10 происходит резкое замедление процес­са развития пожара.

Из всего здесь сказанного следует, что газообмен является основ­ным фактором в развитии пожаров внутри зданий, т.к. он опреде­ляет скорость выгорания и скорость распространения горения (пло­щадь пожара), скорость движения газов и абсолютные значения температуры в помещении. В то же время газообмен зависит от площа­ди проемов и их расположения, температуры пожара.

При тушении пожаров надо учитывать эту взаимную зависимость, чтобы не вызвать нежелательные последствия. Например, с прибы­тием на пожар первого подразделения в целях удаления дыма и вво­да стволов открывают все имеющиеся проемы. Это приводит к интен­сивному развитию пожара, а сил и средств, чтобы его сдерживать оказывается недостаточно.

Невозможностью развития пожара при отсутствии газообмена с окружающей средой пользуются иногда при пассивном методе тушения (пожар в трюме корабля).

Сравнительным параметром газообмена на различных пожарах яв­ляется интенсивность газообмена, под которой понимается количес­тво воздуха, поступающего в единицу времени к единице площади по­жара.

По параметрам газообмена помещения классифицируются на четыре группы.

Группа помещений	Наименование	Высота	Интенсивность газообмена кг/(кв.м с)	F1/Fпола
I	Подвалы, туннели, трюмы	менее 6 м	до 1.5	менее 1/12
II	Кинотеатры, здания без естественного освещения, башни, вертикальные шахты.	Более 6 м	до 3.0	менее 1/12
III	Жилье, общественные и производственные здания	менее 6 м	до 3.5	более 1/12
IV	Выставочные павильоны, цирки, вокзалы, ангары, сцены театров	более 6	до 6	более 1/12

Особенностью горения в помещениях с F1/Fпола менее 1/12 (I и II) является ограниченный приток воздуха, медленное выделение тепла с большим количеством продуктов неполного сгорания. Температура и концентрация дыма по высоте изменяются мало.

Дым - опасный фактор на пожаре.

Опасность дыма характеризуется тремя параметрами: содержанием токсичных продуктов, наличием твердой фазы, снижающей видимость, и высокой температурой. К токсичным продуктам относятся: окись углерода (СО), хлористый водород (НСl), окиси азота, сернистый газ, сероводород, си­нильная кислота, фосген. В зависимости от состава пожарной наг­рузки, условий горения, образуются те или иные продукты в различ­ных количествах.

Концентрация токсичных продуктов в дыме на пожаре зависит от интенсивности газообмена и количества этих продуктов, выделяющих­ся с 1 кв.м в единицу времени.

О влиянии интенсивности газообмена на плотность дыма можно судить данным табл., где показана концентрация отдельных компо­нентов при горении однородной пожарной нагрузки в зданиях различ­ных групп, табл.2.9.

Таблица 2.9

Группа	Состав	дыма,	% объм.
	СО	СО2	О2
I - II	0.15-1.5	0.8-8.5	10.6-19
III - IV	0.1-0.6	0.3-4.0	16-20.2

В помещениях с затрудненным газообменом (I-II) дым содержит зна­чительно большее количество токсичной окиси углерода и наи­меньшее количество кислорода. Малый процент кислорода представ­ляет опасность , поскольку при 14-16% наступает кислородное голо­дание, а при 9% создается опасность для жизни. В помещениях I-II групп часто содержание кислорода опускается ниже этого уровня. Наличие опасных для жизни продуктов и низкое содержание кислоро­да обуславливает необходимость защиты органов дыхания за счет применения кислородно-изолирующих противогазов.

Высокая температура в сочетании с высокой влажностью особен­но в начальный момент тушения создают тяжелые условия для работы на пожаре.

Большим препятствием для эффективной работы пожарных при спа­сении людей и тушении являются твердые частицы, находящиеся в ви­де аэровзвеси6 которые снижают видимость в зоне задымления. Осо­бенно плотное задымление образуется при горении веществ с высоких коэффициентом химического недожога (нефть и ее тяжелые продукты, резина, хлопок, шерсть, большинство пластмасс) в помещениях с ог­раниченным газообменом.

Плотность дыма определяется по количеству твердых частиц, со­держащихся в единице его объема (г/м³) О плотности дыма судят по видимости в нем предметов, освещенных лампой в 21 свечу, табл. 2.10.

Таблица 2.10

Вид дыма	Плотность, г/м3	Видимость, м
Плотный	¦ > 1.5	до 3
Средней плотности	0.6-1.5	3-6
Слабой плотности	0.1-0.6	6-12

Для практических расчетов пользуются понятием дымообразующей спо­собности, под которым понимается объем дыма, образующийся с еди­ницы площади пожара в единицу времени (м³/м²_*с). Экспериментальные данные и опыт тушения пожаров показывают, что при слабой вентиляции опасные для жизни концентрации токсичных газов и большая степень задымленности создаются в течении первых минут. Огромное значение на процесс задымления зданий и сооруже­ний оказывает работа различных вытяжных установок. Надо отметить, что дверные проемы6 остекление, межэтажные пустоты, вентиляцион­ные шахты не обеспечивают защиту от задымления даже на мини­мальный промежуток времени.

Приточная вентиляция в помещение, где происходит горение значительно ускоряет его задымление, увеличивает интенсивность горе­ния, повышает задымленность соседних помещений. Наоборот, подача воздуха в смежные с горящим помещение препят­ствует их задымлению и может даже исключить вообще проникновение дыма. Забор воздуха вытяжной вентиляцией из горящего помещения снижает задымленность , плотность дыма, но способствует развитию пожара. Забор воздуха вытяжной вентиляцией из соседних с горящим помеще­нием способствует его задымлению.