Горение, зоны и виды пожаров

Физико-химический процесс превращения горючих веществ в продукты сгорания, сопровождаемый интенсивным выделением теплоты и светового излучения, называется горением. В его основе лежат быстротекущие химические реакции окисления сгораемых материалов кислородом воздуха, с образованием в первую очередь С02 и Н20.

В пространстве, в котором развивается пожар, условно рассматриваются три зоны: горения, теплового воздействия и задымления.

Зоной горения называется часть пространства, в которой происходит подготовка горючих веществ к горению (подогрев, испарение, разложение) и их горение. Различают два основных вида горения: гомогенное и гетерогенное.

При гомогенном (пламенном) горении окислитель и горючее находятся в газовой фазе. Гомогенное горение имеет место при сгорании горючего газа или газовых сред, образующихся при испарении горючих жидкостей, или при плавлении, разложении, испарении или выделении газообразных фракций в результате нагрева твердых веществ. Полученная любым из этих превращений газообразная среда смешивается с воздухом и горит.

При гетерогенном (беспламенном) горении горючее находится в твердом состоянии, а окислитель в газообразном. Процесс горения происходит в твердой фазе и проявляется в покраснении твердого вещества в результате экзотермических реакций окисления.

Зоной теплового воздействия называется часть пространства, примыкающая к зоне горения, в которой тепловое воздействие пламени приводит к заметному изменению состояния окружающих материалов и конструкций и делает невозможным пребывание в ней людей без средств специальной защиты.

Зоной задымления называется часть пространства, в которой от дыма создается угроза жизни и здоровью людей.

Пожары подразделяют:

— по признаку изменения площади — на распространяющиеся и нераспространяющиеся;

условиям массои теплообмена с окружающей средой — на пожары в ограждениях (внутренние пожары) и открытой местности (открытые пожары).

Большинство внутренних пожаров, связанных с горением твердых материалов, начинается с возникновения локального открытого пламенного горения. Далее вокруг зоны горения возникает конвективный газовый поток, обеспечивающий необходимый газовый обмен. Постепенно увеличивается температура горючего материала вблизи зоны горения, интенсифицируются физико-химические процессы горения, растет факел пламени, горение переходит в общее.

При достижении температуры примерно 100 °C начинается разрушение оконных стекол и в связи с этим существенно изменяется газообмен, горение усиливается и пламя начинает выходить за пределы помещения, что может явиться причиной загорания соседних сооружений.

Распространение пламени на соседние здания и сооружения возможно также за счет излучения и переброса на значительные расстояния горящих конструктивных элементов (головни) или несгоревших частиц (искры).

За пределами помещений, в которых возник пожар, температура продуктов горения может оказаться неопасной для человека, но содержание продуктов сгорания в воздухе может стать опасным. Это характерно для высоких зданий и зданий коридорной системы, в которых опасность для человека наступает через 0,5—6 мин после начала пожара, поэтому при возникновении пожара необходима немедленная эвакуация.

Показатель опасности при пожаре — время, по истечении которого возникают критические ситуации с угрозой для жизни людей. Время эвакуации, при превышении которого могут сложится такие ситуации, называется критическим временем эвакуации. Различают критическое время по температуре (это время очень мало, так как опасная для человека температура невелика и составляет 60 °С), критическое время, но образованию опасных концентраций вредных веществ (скорость распространения продуктов сгорания по коридорам 30 м/мин), а также критическое время по потере видимости (задымлению).

Необходимость срочной эвакуации определяется также тем обстоятельством, что пожары могут сопровождаться взрывами, деформациями и обрушением конструкций, вскипанием и выбросом различных жидкостей, в том числе легковоспламеняющихся и сильно ядовитых.

К открытым относятся пожары газовых и нефтяных фонтанов, складов древесины, пожары на открытых технологических установках, пожары на складах каменного угля и др.

Общей особенностью всех открытых пожаров является отсутствие накопления теплоты в газовом пространстве. Теплообмен происходит с неограниченным окружающим пространством, газообмен не ограничивается конструктивными элементами зданий и сооружений, он более интенсивен. Процессы, протекающие на открытых пожарах, в значительной степени зависят от интенсивности и направления ветра.

Зона горения на открытом пожаре в основном определяется распределением горючих веществ в пространстве и формирующими зону горения газовыми потоками. Зона теплового воздействия в основном определяется лучистым тепловым потоком, так как конвективные тепловые потоки уходят вверх и мало влияют на зону теплового воздействия на поверхности Земли. За исключением лесных и торфяных пожаров зона задымления на открытых пожарах несущественно препятствует тушению пожаров. В среднем максимальная температура пламени открытого пожара для горючих газов составляет 1200—1350, для жидкостей — 1100—1300 и для твердых горючих материалов органического происхождения — 1100−1250 °С.

По масштабам и интенсивности пожары молено подразделить:

на отдельный пожар, возникающий в отдельном здании (сооружении) или в небольшой группе зданий;

сплошной пожар, характеризующийся одновременным интенсивным горением преобладающего числа зданий и сооружений на определенном участке застройки (более 50%);

огневой шторм, особая форма распространяющегося сплошного пожара, образующаяся в условиях восходящего потока нагретых продуктов сгорания и быстрого поступления в сторону центра огневого шторма значительного количества свелсего воздуха (ветер со скоростью 15 м/с);

— массовый пожар, образующийся при наличии в местности совокупности отдельных и сплошных пожаров.

Распространение пожаров и превращение их в сплошные пожары при прочих равных условиях определяется плотностью застройки территории объекта. О влиянии плотности размещения зданий и сооружений на вероятность распространения пожара можно судить по ориентировочным данным, приведенным ниже:

расстояние между зданиями, м…0 5 10 15 20 30 40 50 70 90.

вероятность распространения пожара, %…1,0 0,87 0,66 0,47 0,27 0,23 0,09 0,03 0,02 0.

Быстрое распространение пожара возможно при следующих сочетаниях степени огнестойкости зданий и сооружений (см. ниже) с плотностью застройки: для зданий I и II степени огнестойкости плотность застройки должна быть не более 30%; для зданий III степени — 20%; для зданий IV и V степени — не более 10%.

Влияние трех факторов (плотности застройки, степени огнестойкости здания и скорости ветра) на скорость распространения огня отражают следующие цифры:

— при скорости ветра до 5 м/с в зданиях I и II степени огнестойкости скорость распространения пожара составляет примерно 120 м/ч; в зданиях IV степени огнестойкости — примерно 300 м/ч, а в случае сгораемой кровли — до 900 м/ч;

при скорости ветра до 15 м/с в зданиях I и II степени огнестойкости скорость распространения пожара достигает 360 м/ч.

Параметры и опасные факторы пожаров. К основным параметрам пожаров относятся пожарная нагрузка, массовая скорость выгорания, скорость распространения пожара, температура пожара, интенсивность выделения теплоты и др.

Пожарная нагрузка характеризует энергетический потенциал сгораемых материалов, приходящихся на единицу площади пола или участка земли. Она измеряется в единицах энергии или единицах массы сгораемых материалов (в пересчете на древесину) на единицу площади (Дж/м², кг/м²). Пересчет на древесину осуществляется исходя из того, что при сгорании 1 кг древесины в среднем выделяется 18,8 МДж энергии.

Массовая скорость выгорания — это потеря массы горючего материала в единицу времени. Она зависит от отношения площади поверхности горения веществ к их объему, плотности упаковки, условий газообмена и других причин. Например, скорость выгорания мебели — 50, бревен и крупных деревянных элементов — 25, пиломатериалов в штабелях — 400 кг/(м²-ч).

Скорость распространения пожара определяется скоростью распространения пламени по поверхности горючего материала. Она зависит от вида материала, его способности к воспламенению, начальной температуры, направления газового потока, степени измельчения материала и др. Скорость распространения пламени варьируется в широких пределах в зависимости от угла наклона поверхности: при угле наклона 90° скорость распространения пламени вниз в два раза меньше средней скорости для горизонтальной поверхности данного материала, а вверх — в 8—10 раз больше.

Скорость распространения пламени (м/с) в смесях газов, используемых в промышленности, следующая:

углевоздушные смеси — 0,3—0,5;

водородовоздушная смесь — 2,8;

водородокислородная смесь — 13,8;

ацетиленокислородная смесь — 15,4.

Возможность возгорания конструкций и материалов иод действием потоков горячего воздуха и лучистого излучения пожара, а также безопасное удаление людей от очага пожара являются главными показателями, характеризующими обстановку при пожарах.

При открытых пожарах главным источником распространения пожара является лучистый теплообмен. Плотность лучистого теплового потока Q , (Вт/м²) зависит от большого числа факторов, характеризующих как сам процесс формирования теплового излучения, так и его воздействие на окружающие тела. Учесть каждый из этих факторов в аналитическом выражении, описывающем процесс теплообмена, не представляется возможным, поэтому при проведении расчетов учитываются только основные из них. Расчеты проводят по формуле Стефана — Больцмана.

где С_П|) — приведенный коэффициент излучения, для практических расчетов С"_р ~ 4,9 Вт/ (м-К⁴); е — приведенная степень черноты окружающих предметов; F, — площадь поверхности, излучающей лучистый поток, м²; у — коэффициент облучаемости, зависящий от расположения и размеров поверхностей и показывающий долю лучистого потока, излучаемого поверхностью пламени; Г, — средняя температура самовоспламенения нагреваемых поверхностей; Т₂ — средняя температура пламени.

Величины, необходимые для расчета по данной формуле, приведены ниже.

Средние температуры поверхности пламени (К) для некоторых горючих материалов:

торф, мазут — 1273;

древесина, нефть, керосин, дизельное топливо — 1373;

каменный уголь, каучук, бензин — 1473;

антрацит, сера — 1573;

горючие газы — 1773.

Температура самовоспламенения некоторых веществ (К):

картон серый — 478.

войлок строительный — 498.

ацетон — 523.

этиловый спирт — 568.

нефть — 573.

бензин, керосин — 573.

древесина сосновая — 643.

дизельное топливо — 653.

торф кусковой и брикетный — 700.

мазут — 738;

хлопок-волокно — 883;

допустимая температура на геле человека — 313 (40 °С).

Приведенная степень черноты окружающих предметов е_пр определяется по степени черноты факела пламени s_n и степени черноты облучаемого материала е_м по формуле.

где S_{ и S₂ — площадь соответственно факела и облучаемой поверхности.

Степень черноты факела пламени для некоторых материалов следующая:

каменный уголь, древесина, торф — 0,7;

мазут, нефть — 0,85;

бензин, керосин, дизельное топливо — 0,98.

Степень черноты различных материалов:

сталь листовая — 0,6;

сталь окисленная — 0,8;

медь окисленная — 0,95;

резина твердая — 0,86;

резина мягкая — 0,9;

дерево строганое, картой, торф — 0,93;

толь кровельный — 0,9;

кожа человека — 0,95.

Взаимное размещение факела пламени и облучаемого тела учитывается с помощью коэффициента у. Значение этого коэффициента зависит от формы и размеров факела, а также от расположения облучаемой поверхности по отношению к факелу пламени.

Значение плотности теплового потока существенно зависит от продолжительности воздействия. Минимально необходимая для возгорания материала плотность теплового излучения, воздействующая на тело в течение определенного времени, называется критической (Q, _кр) и определяется экспериментально в лабораторных условиях. В табл. 14.3 приведены значения Q_{4 кр} для различных материалов при продолжительности воздействия 3,5 и 15 мин.

Значения критической плотности теплового потока, Вт/м²

Таблица 143

Сравнение значений ?)_лкр, полученных расчетом, но формуле с данными из таблицы, позволят сделать вывод о возможности возгорания за заданное время или определить безопасные расстояния от очага пожара при заданном времени воздействия.