Основные параметры пожара

К основным параметрам развития пожара относят: продолжительность пожара, площадь пожара, температуру пожара, скорость распространения пожара, скорость выгорания горючих веществ и материалов, интенсивность газообмена, интенсивность или плотность задымления,

Продолжительность пожара - τ_п [мин]. Продолжительностью пожара называется время с момента его возникновения до полного прекращения горения.

Площадь пожара - S_п [м.²]. Площадью пожара называется площадь проекции зоны горения на горизонтальную или вертикальную плоскость. На рис.1.7. 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 пожаре в высокостелажном складе(?), 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 способа ликвидации горения, при определении особенностей тактики его тушения и расчете количества сил и средств, необходимых для его локализации и ликвидации.

Рис. 1. 7. Площадь пожара:

а – при горении жидкости в резервуаре; б – при горении штабеля пиломатериалов; в – при горении газонефтяного фонтана.

Температура пожара - T_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.

Выделяющееся при горении тепло является основной причиной развития пожара и возникновения многих сопровождающих его явлений. Это тепло вызывает нагрев окружающих зону горения горючих и негорючих материалов. При этом горючие материалы подготавливаются к горению и затем воспламеняются, а негорючие разлагаются, плавятся, строительные конструкции деформируются и теряют прочность. Тепловыделение на пожаре сопровождается также движением газовых потоков и задымлением определенного объема пространства около зоны горения. Возникновение и скорость протекания тепловых процессов зависит от интенсивности тепловыделения в зоне горения, т.е. от теплоты пожара. Количественной характеристикой изменения тепловыделения на пожаре в зависимости от различных условий горения служит температурный режим. Под температурным режимом пожара понимают изменение температуры во времени.

Определение температуры пожара как экспериментально, так и расчетом чрезвычайно сложно. Для инженерных расчетов, при решении ряда практических задач температуру пожара определяют из уравнения теплового баланса

Для открытых пожаров установлено, что доля тепла, передаваемого из зоны горения излучением и конвекцией, составляет 40-50% от Q_п. Оставшаяся доля тепла (60-70% от Q_п.) идет на нагрев продуктов горения. Таким образом, 60-70% от теоретической температуры горения данного горючего ма­териала дадут приближенное значение температуры пламени. Температура открытых пожаров зависит от теплотворной способности горючих материалов, скорости их выгорания и метеорологических условий. В среднем максимальная температура открытого пожара для горючих газов составляет 1200-1350°С, для жидкостей 1100-1300°С и для твердых горючих материалов органического происхождения 1100-1250°С.

При внутреннем пожаре на температуру влияет больше факторов: вид горючего материала, величина пожарной нагрузки и ее расположение, площадь горения, размеры здания (площадь пола, высота помещений и т.д.) и интенсивность газообмена (размеры и расположение проемов).

Кривая изменения температуры внутреннего пожара во вре­мени показана на рис.1.9. Всю продолжительность пожара можно разделить на три характерных периода по изменению температуры. Начальный период, соответствующий периоду роста пожара, характеризуется сравнительно невысокой среднеобъемной температурой.

Основной период, в течение которого сгорает 70-80% общей нагрузки горючих материалов. Окончание основного периода соответствует моменту, когда среднеобъемная температура достигает наибольшего значения или уменьшается не более чем до 80% от максимального значения.

Заключительный период характеризуется убыванием температуры вследствие выгорания пожарной нагрузки. Поскольку скорость роста и абсолютное значение температуры пожара в каждом конкретном случае имеют свои характерные значения и особенности, введено понятие стандартной температурной кривой (рис.18.), обобщающей наиболее характерные особенности изменения температуры внутренних пожаров.

Рис. 1. 8. Рис. 1. 9.

Рис.1. 8. Изменение температуры внутреннего пожара во времени 1-кривая конкретного пожара; 2-стандартная температурная кривая.

Рис.1.9. Изменение температуры внутреннего пожара в зависимости от вида горючего материала и величины пожарной нагрузки (F_{пр /} F_пола-0,16):1-резина,100кг/м²; 2-древесина, 100кг/м²; 3-каучук, 50кг/м²; 4-резина, 50кг/м²; 5-древесина, 50кг/м²; 6-фенопласты, 50кг/м²; 7-бумага, 50кг/м². Стандартная температурная кривая описывается уравнением:

=345 lg (8τ + 1) или =500 τ ^0.15

На рис.1.9. показана зависимость температуры пожара от вида горючего материала и величины пожарной нагрузки при определенных условиях газообмена. Из графика видно, что с увеличением пожарной нагрузки время достижения максимальной температуры возрастает.

Температура пожара является функцией его остальных параметров и, в частности, интенсивности газообмена. Интенсивность газообмена внутреннего пожара определяется, с одной стороны, конструктивными особенностями здания: высотой проема, (H_пр) или площадью оконных проемов (F_пр.) и их расположением, площадью пола помещения, размерами самого пожара, в частности его площадью (S_п.).

Соотношение между ними и площадью (S_п./ F_пола; F_пр/ S_п; F_пр/ F_пола) определяют скорость роста и абсолютное значение массовой скорости выгорания, полноту горения и, следовательно, температуру пожара. Массовая скорость выгорания горючих материалов в условиях внутреннего пожара повышается с увеличением интенсивности газообмена, а затем некоторое время остается постоянной. Однако зависимость абсолютного значения температуры от интенсивности газообмена имеет другой вид. Это обусловлено следующими обстоятельствами. Воздух, поступающий при газообмене в помещение, разделяется как бы на две части, Одна часть воздуха активно поддерживает и интенсифицирует процесс горения, другая часть вовлекается в движение внутренними конвективными токами и в зону горения не поступает. Последняя будет разбавлять продукты горения в объеме помещения и тем самым снижать их температуру. Количество воздуха, не участвующего в процессе горения, учитывается коэффициентом избытка воздуха для объема, данного помещения.

На рис.1.10. приведена зависимость температуры пожара от параметров проема, определяющих газообмен: F_{пр. .} Из графика видно, что приток воздуха в помещение, где происходит пожар, увеличивает его температуру при неизменной площади пола и величине пожарной нагрузки. При условиях газообмена, близких к открытым пожарам, когда массовая скорость выгорания не зависит от размеров проемов, температура пожара достигает максимума и почти такая же, как при открытом пожаре.

Влияние соотношений F_1/ S_п. и S_п./ F_пола на температуру пожара показано на рис.1.11. Из графика видно, что увеличение соотношения F_1/ S_п. ведет к увеличению скорости роста температуры и ее максимума, а уменьшение этого отношения резко увеличивает продолжительность пожара.

Рис. 1. 10. Рис. 1. 11.

Рис.1.10. Влияние газообмена на температуру внутреннего пожара.

Рис.1.11. Изменение температуры внутреннего пожара в зависимости от F_1/S_{п. и} S_п./F_{пола: 1-} F_1/S_п=1/5;2- F_1/S_{п=1/7;3,4,5-}F_1/S_{п=1/10;6 –} стандартная температурная кривая.

Существенное влияние на температурный режим пожара оказывает высота помещения. На рис.1.12. приведен график изменения температуры пожара в помещениях различной высоты, из которого следует, что в высоких помещениях скорость роста температуры выше, а максимальное значение температуры меньше, чем в помещениях малой высоты. Это объясняется тем, что во втором случае коэффициент избытка воздуха выше, чем в первом, и потери тепла из зоны горения больше.

Из приведенных данных следует, что по интенсивности газообмена, определяющего скорость роста и максимальное значение температуры пожаров, все помещения можно разделить на две группы. Помещения, у

которых соотношение относятся к помещениям с низкотемпературным режимом пожаров, т.е. для этой группы помещений развитие процесса горения, а, следовательно, и интенсивности тепловыделения, сдерживают поступление воздуха и в объем самого помещения, и в зону горения.

Рис. 1. 12.

Зависимость температуры внутреннего пожара от высоты помещения:

1-H_п=3,2 м; 2-H_п=6,4м;

Помещения, у которых отношение относятся к помещениям с высокотемпературным режимом пожаров, т.е. в этих помещениях процесс горения развивается так же, как в условиях открытого пожара или близких к ним. Изменение температуры пожаров во времени, характерное для помещения с низкотемпературным режимом, соответствует кривой 4 (рис.1.11.), а с высокотемпературным режимом - кривой 6, которая является стандартной температурной кривой. Из рис.1.12. следует, что различие температур пожара в помещениях с низкотемпературным и высокотемпературным режимами в среднем составляет 200-250 °С, При этом необходимо иметь в виду, что такая же картина может сохраниться, когда горючие материалы с высокой теплотворной способностью горят в помещениях с низкотемпературным режимом, а горючие материалы с низкой теплотворной способностью горят в помещениях с высокотемпературным режимом.

Внутренний пожар — это более сложный случай процесса горения по сравнению с открытым пожаром, так как объем, где происходит горение, ограничен и не все тепло теряется безвозвратно. Без учета начального теплосодержания горючих материалов и воздуха, на данный момент времени, он может быть представлен следующим уравнением:

Q_{п. =} Q`_п.г. + Q``_п.г. + Q_кон. + Q_г.м + Q_изл.,

где Q_{п .} – тепло, выделяющееся на пожаре, кДж; Q`_п.г – тепло, содержащееся в продуктах горения, удаляющихся из помещения, где произошел пожар, кДж; Q``_п.г – тепло, содержащееся в продуктах горения, находящихся в помещении, кДж; Q_кон - тепло, поступающее к строительным конструкциям и оборудованию конвекцией и излучением, кДж; Q_г.м - тепло, поступающее к горючим материалам конвекцией и излучением, кДж; Q_изл. - тепло, излучаемое из зоны горения за пределы помещения, где произошел пожар, через проемы и обрушения, кДж.

Все величины, входящие в это уравнение, переменны во времени. Они зависят от вида горючего материала, его количества, площади пожара и многих других параметров. Например, Q``_п.г + Q_г.м + Q_кон + Q_изл изменяется в пределах 10-80% всего выделяющегося тепла и зависит от условий газообмена и продолжительности горения. Как показывает практика, Q_изл составляет 3-4% Q_п; Q_кон - 6-8% Q_п; Q_г.м - 1,5-3% Q_п, т.е. примерно 85-90% всего выделяющегося тепла на внутреннем пожаре идет на нагрев продуктов горения.

Величины Q`_п.г и Q_изл не приводят к повышению температуры в зоне пожара, так как в обоих случаях тепло уходит за пределы помещения.

Q_г.м -тепло, идущее на нагрев горючего материала как горящего, так и подготавливаемого к горению, оно способствует интенсификации и распространению пожара. Количественно эта величина в общем балансе тепла мала (не превышает 3% от Q_п), но качественно этот тепловой поток - один из самых опасных. Так, сведение Q_г.м к нулю практически приводит к ликвидации горения.

Q_кон - также очень опасный тепловой поток, так как повышение температуры несущих элементов конструкции приводит к резкому снижению их механической прочности, потере устойчивости и обрушению.

Q``_п.г - это тепло, которое, выделившись в зоне горения, распределяется по всему помещению и определяет температуру пожара.

Тепло на пожаре выделяется непосредственно в зоне горения и распространяется из нее конвекцией, лучеиспусканием и теплопроводностью. Тепло, передаваемое теплопроводностью, сравнительно невелико и, как правило, в расчетах не учитывается.

Тепло, передаваемое из зоны горения конвекцией при горении жидких горючих веществ, в условиях внутреннего пожара, составляет 55— 60%, а при горении твердых горючих материалов, например, штабелей древесины, 60-70% от общего количества тепла, выделяющегося на пожаре. Остальные 30-40% тепла передаются из зоны горения излучением. Соотношение этих величин зависит не только от вида горючего, но и от стадии развития пожара, температуры окружающих предметов, оптической плотности среды, условий газообмена. Поскольку конвективные потоки направлены из зоны горения преимущественно вверх, то суммарные тепловые потоки по различным направлениям будут неравноценны. Значение величины и направления суммарных тепловых потоков позволит определить не только соответствующие зоны пожара, но и доминирующие направления, и интенсивность распространения пожара. Распределение температуры неравномерно по объему и нестационарно во времени.

Максимальная температура пожара, которая обычно выше среднеобъемной, бывает в зоне горения. По мере удаления от нее температура газов снижается за счет разбавления продуктов горения воздухом и потерь тепла в окружающее пространство.

Большое влияние на распределение температуры оказывает интенсивность газообмена и направленность конвективных газовых потоков. Например, в помещениях с большой интенсивностью газообмена и высокотемпературным режимом, несмотря на интенсивное тепловыделение и высокую температуру в верхней части помещения, в нижней его части возможно пребывание людей благодаря интенсивному притоку холодного воздуха и интенсивному оттоку горячих продуктов горения. Причем, неравномерность параметров газовой среды по вертикали проявляется тем резче, чем больше высота помещения. Очевидно, что и средняя температура такого пожара может быть сравнительно невелика.

В помещениях с малой интенсивностью газообмена и низкотемпературным режимом горение происходит с большим недостатком воздуха. Однако температура в помещении при таком горении почти одинакова по объему и может быть очень высокой за счет слабого оттока продуктов горения. Эти обстоятельства необходимо учитывать при тушении пожара для обеспечения безопасной и эффективной работы личного состава.

Очевидно, что при наличии расчетных методов, учитывающих неравномерность распределения температуры в объеме помещения, задача определения безопасных условий тактико-технических действий существенно облегчалась бы.

Линейная скорость распространения горения – V_л [м/мин], [м/сек]. Под этим параметром понимают дальность распространения фронта пламени 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 V_л, которые являются величинами весьма приближенными.

Наибольшей V_л 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_л 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 большую сторону 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.

ПОЖАРНАЯ НАГРУЗКА

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:

P_г.н. = (1.7.)

Где P_{г.н . -} пожарная нагрузка; Р - масса горючих и трудногорючих 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 нагрузок.

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 не менее 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. 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 S_п:

К_п. =

При горении жидкостей в резервуарах К_п. равен единице. При горении твердых материалов К_п. 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 К_п. (горение бревен, досок, стружки).

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.

Скорость выгорания горючих веществ и материалов.

Под скоростью выгорания понимают потерю массы материала (вещества) в единицу времени при горении. Процесс термического разложения сопровождается уменьшением массы вещества и материалов, которая в расчете на единицу времени и единицу площади горения квалифицируется как массовая скорость выгорания, кг/(м²∙с).

Массовая скорость выгорания зависит от агрегатного состояния горючего вещества или материала, начальной температуры и других условий. Массовая скорость выгорания горючих и легковоспламеняющихся жидкостей определяется интенсивностью их испарения. Массовая скорость выгорания твердых веществ зависит от вида горючего, его размеров, величины свободной поверхности и ориентации по отношению к месту горения; температуры пожара и интенсивности газообмена. Существенное влияние на массовую скорость выгорания оказывает концентрация кислорода (окислителя) в окружающей среде.

Интенсивность газообмена - I_г кг/(м.²с). Интенсивностью газообмена называется количество воздуха, притекающее в единицу времени к единице площади пожара. Различают требуемую интенсивность газообмена – I^тр_г, фактическую - I^ф_г. 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^тр_Г характеризует удельный расход воздуха, при котором возможна максимальная полнота сгорания горючего материала. Фактическая интенсивности 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.

Интенсивность или плотность задымления – Iz. 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/м.³

Данные о плотности дыма, образующегося при горении веществ, содержащих углерод, приведены в табл.1.2.

Таблица 1.2.

Теплота пожара - Q_п [кДж/с]. Теплота пожара характеризует, какое количество тепла выделяется в зоне горения в единицу времени.

Q_{п =} β (1. 9.)

Где: β- коэффициент химического недожога; - приведенная массовая скорость выгорания, кг/(м.² с); - площадь пожара, м²; - теплота сгорания, кДж/кг.

Приведенная теплота пожара Q`_п [кДж/(м²с)] показывает, какое количество тепла выделяется в единицу времени с единицы площади пожара и определяется по формуле:

Q`_{п =} β _(1.10.)

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

при v⁰_в β

>10нм³/кг 0,8-0,9

~5 нм³/кг 0.9-0.95

<5 нм³/кг 0.95-0.99