Распространение пламени при пожаре

Расчет пожара (прогнозирование опасных факторов) необходим для оценки своевременности эвакуации и разработке мероприятий по ее совершенствованию, при создании и совершенствовании систем сигнализации, оповещения и тушения пожаров, при разработке планов пожаротушения (планирования боевых действий пожарных подразделений при пожаре), для оценки фактических пределов огнестойкости, проведении пожарно-технических экспертиз и других целей.

В развитии пожара в помещении обычно выделяют три стадии:

— начальная стадия — от возникновения локального неконтролируемого очага горения до полного охвата помещения пламенем; при этом средняя температура среды в помещении имеет не высокие значения, но внутри и вокруг зоны горения температура такова, что скорость тепловыделения выше скорости отвода тепла из зоны горения, что обуславливает само ускорение процесса горения;

— стадия полного развития пожара — горят все горючие вещества и материалы, находящиеся в помещении; интенсивность тепловыделения от горящих объектов достигает максимума, что приводит и к быстрому нарастанию температуры среды помещения до максимальных значений;

— стадия затухания пожара — интенсивность процесса горения в помещении снижается из-за расходования находящейся в нём массы горючих материалов или воздействия средств тушения пожара.

Однако в любом случае, как показывает уравнение «стандартного пожара», температура в очаге пожара через 1,125 мин достигает значения 365оС. Поэтому очевидно, что возможное время эвакуации людей из помещений не может превосходить продолжительности начальной стадии пожара.

1. Физические закономерности распространения пламени

1.1.Общие сведения

Горение, сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу горения составляют экзотермические окислительные реакции вещества, способного к горению (горючего), с окислителем. Современная физико-химическая теория горения относит к горению все химические процессы, связанные с быстрым превращением и тепловым или диффузионным их ускорением, в том числе разложение взрывчатых веществ, озона, и др.; соединение ряда веществ с хлором, фтором и т. д.; взаимодействие многих металлов с хлором, окисей натрия и бария с двуокисью углерода и т. д. Химическая реакция горения в большинстве случаев является сложной, т. е. состоит из большого числа элементарных химических процессов. Кроме того, химическое превращение при горении тесно связано с рядом физических процессов — переносом тепла и масс и характеризуется соответствующими гидрои газодинамическими закономерностями. В силу комплексной природы горения, суммарная скорость горения практически никогда не тождественна скорости чисто химического взаимодействия реагентов системы. Более того, для гетерогенных процессов скорость горения часто эквивалентна скорости того или иного лимитирующего чисто физического процесса (испарения, диффузии и т. д.).

Наиболее общее свойство горения — возможность при известных условиях прогрессивного самоускорения химического превращения — воспламенения, связанного с накоплением в реагирующей системе тепла или активных продуктов цепной реакции, Характерная черта явлений горения — способность к пространственному распространению, вследствие передачи тепла или диффузии активных частиц; в первом случае говорят о тепловом, во втором — о диффузионном механизме распространения пламени. Другая характерная особенность горения — наличие критических условий, т. е. определенных, характерных для данной горючей системы областей значений параметров (состав смеси, давление, содержание примесей, начальная температура смеси и т. д.), вне которых реакция горения протекает стационарно, а внутри области — самоускоряется. Диффузионный механизм горения обычно наблюдается при низких давлениях. Горение широко применяется в технике для получения тепла в топках, печах и камерах сгорания двигателей. При этом очень часто используется так называемое диффузионное горение, при котором распространение пламени определяется взаимной диффузией (кондуктивной или турбулентной) горючего и окислителя.

Для любого вида горения характерны две типичные стадии — воспламенение и последующее сгорание (догорание) вещества до продуктов полного горения. Время, затрачиваемое на обе стадии, составляет общее время горения. Обеспечение минимального суммарного времени горения при максимальной полноте горения (полноте тепловыделения) — основная задача техники сжигания. Для технического горения важны также физические процессы подготовки смеси: испарение, перемешивание и т. д. Основные термодинамические характеристики горючей смеси — теплотворная способность и теоретическая (или адиабатическая) температура горения, т. е. та температура, которая могла бы быть достигнута при полном сгорании без потерь тепла.

По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают:

1) гомогенное горение — горение газов и парообразных горючих в среде газообразного окислителя (большей частью кислорода воздуха);

2) горение взрывчатых веществ и порохов;

3) гетерогенное горение — горение жидких и твёрдых горючих в среде газообразного окислителя; горение в системе жидкая горючая смесь — жидкий окислитель (например, кислота).

Гомогенное горение. Наиболее простой случай представляет горение заранее перемешанных смесей. Большей частью реакции являются цепными. В обычных условиях горения при их развитии (зарождении и развитии цепей) определяющее значение имеет предварительное нагревание вещества (термическая активация).

Для начала горения необходим начальный энергетический импульс, чаще всего нагревание горючего. Различают 2 способа воспламенения: самовоспламенение и вынужденное воспламенение, или зажигание (накалённым телом, пламенем, электрической искрой и др.).

Важнейший вопрос теории горения — распространение пламени (зоны резкого возрастания температуры и интенсивной реакции). Различают нормальное распространение горения, или дефлаграцию, где ведущим процессом является передача тепла теплопроводностью, и детонацию, где поджигание производится ударной волной. Нормальное горение, в свою очередь, подразделяется на ламинарное и турбулентное.

Ламинарное пламя обладает вполне определённой скоростью перемещения относительно неподвижного газа, которая зависит от состава смеси, давления и температуры и определяется только химической кинетикой и молекулярной теплопроводностью. Эта нормальная скорость является физико-химической константой смеси.

Скорость распространения турбулентного пламени зависит от скорости потока, а также степени и масштаба турбулентности. Горение в потоке (факельный процесс) — горение струи при её истечении из трубы (сопла) в открытое пространство или камеру — очень распространённый в технике вид горения. Различают горение при истечении заранее перемешанной смеси и горение при раздельном истечении горючего и окислителя, когда процесс определяется перемешиванием (диффузией) двух потоков.

В условиях горения в потоке большое практическое значение имеет вопрос удержания пламени на горелке или в камере. Задача обычно решается или путём непрерывного зажигания смеси от специального зажигательного устройства, или с помощью установки поперёк потока плохо обтекаемых тел (стабилизирующих экранов), обеспечивающих обратную циркуляцию горячих продуктов горения.

Горение взрывчатых веществ (ВВ) — самораспространение зоны экзотермической химической реакции разложения взрывчатого вещества или взаимодействия его компонентов посредством передачи от слоя к слою энергии реакции в виде тепла. В том случае, когда газообразные продукты горения могут свободно оттекать от горячего заряда, горение ВВ, в отличие от их детонации, обычно не сопровождается значительным повышением давления и не принимает характера взрыва. Конденсированные ВВ, аналогично смесям газообразных горючих и окислителей, не требуют подвода кислорода извне.

Скорость горения зависит от природы ВВ, а также от давления, температуры, плотности заряда и др. факторов и при атмосферном давлении для различных ВВ изменяется от долей мм до нескольких м в сек. Для инициирующих ВВ она, как правило, в десятки и сотни раз больше, чем для вторичных.

Гетерогенное горение. Для горения жидких веществ большое значение имеет процесс их испарения. Горение легко испаряющихся горючих практически относится к гомогенному горению, т. к. такие горючие ещё до воспламенения полностью или почти полностью успевают испариться. Применительно к жидким горючим различают 2 характеристики: температуру вспышки и температуру обычного самовоспламенения.

Широко распространённой жидкой гетерогенной системой является высокодисперсная капельная система, для которой определяющее значение имеют законы воспламенения и горения каждой отдельной капли. В отличие от гомогенного горения, в этом случае стадия воспламенения играет относительно меньшую роль.

Горение твёрдых веществ в простейшем случае не сопровождается разложением вещества с выделением их летучих компонентов (например, горение металлов). В технике большое значение имеет горение твёрдого топлива, главным образом углей, содержащих углерод и некоторое количество органических веществ, которые при нагревании топлива разлагаются и выделяются в виде паров и газов. Термически неустойчивую часть топлива принято называть летучей, а газы — летучими. При быстром нагревании частиц топлива (что возможно для частиц малого размера) летучие компоненты могут не успеть выделиться и сгорают вместе с углеродом. При медленном нагревании наблюдается чёткая стадийность начального этапа горения — сначала выход летучих компонентов и их воспламенение, затем воспламенение и горение твёрдого, так называемого коксового, остатка, который кроме углерода содержит минеральную часть топлива — золу.

Каталитическое, или, вернее, поверхностное каталитическое, горение газовых смесей относится к классу гомогенно-гетерогенных процессов горения: химический процесс может протекать как в объёме, так и на катализирующей твёрдой поверхности (например, на платине). В зависимости от конкретных условий может проявляться гомогенный или гетерогенный тип горения. При высоких температурах, когда объёмное горение идёт быстро, роль поверхностно-каталитического горения, как правило, мала и может быть заметной только в случае, когда смесь течёт в узких каналах, пористых материалах или мелкозернистых засыпках из катализатора. Применяемый в технике термин «беспламенное» горение газовых смесей не всегда эквивалентен понятию поверхностно-каталитического горения Скорее он является характеристикой горения без светящегося пламени.

распространение пламя горение температура

1.2 Распространение пламени в горючих смесях

Распространение волны горения является одним из возможных режимов, в котором могут протекать экзотермические химические реакции. При распространении волны горения исходное вещество, имеющее сравнительно низкую начальную температуру, отделено узкой зоной горения от продуктов реакции, имеющих значительно более высокую температуру. Зона горения, разделяющая исходное вещество и продукты, перемещается в сторону исходного вещества с некоторой линейной скоростью uн, называемой нормальной скоростью горения.

В волне горения протекают химические реакции, приводящие к выделению тепла и нагреву среды, происходит перенос тепла и компонентов смеси благодаря процессам теплопроводности, излучения, диффузии, фильтрации и т. п.

Главной задачей теории распространения волн горения является изучение стационарной волны горения и выяснение условий, при которых стационарный волновой режим реакции может быть реализован. Важность этих вопросов обусловлена наибольшей распространенностью стационарного режима и его значением в практических применениях.

В стационарном режиме волна горения распространяется практически с постоянной скоростью, причем постоянной является не только скорость волны, остаются неизменными также профили температуры и концентраций компонентов (в системе координат, связанной с волной горения). Понятие о стационарной волне горения по существу является приближенным, но изменения скорости и структуры волны горения за время ее распространения в большинстве случаев столь незначительны, что понятие стационарного режима приобретает вполне реальный смысл.

Типичные профили температуры Т и скорости тепловыделения при однозонном протекании реакции показаны на рис. 1, где через х/ обозначена пространственная координата, стрелкой указано направление, в котором распространяется волна; буквами QФ обозначена скорость тепловыделения.

Физическая картина процесса стационарного распространения волны горения состоит в следующем.

Поскольку скорость реакции сильно увеличивается с температурой, то там, где температура высока (адиабатическая температура горения Тb обычно лежит в пределах 1000−3000 К), химическое превращение протекает с очень большой скоростью, к примеру, за миллисекунды. В зоне интенсивного химического превращения, расположенной в области высоких температур (см. рис. 1), выделяется тепло, которое благодаря процессу теплопроводности передаётся в рядом лежащие слои холодного вещества, нагревая их и ускоряя тем самым там реакцию. В результате в среде происходит распространение волны экзотермической реакции. Кроме теплопроводности, в волне горения происходит ещё диффузия компонентов на расстояниях порядка толщины зоны горения в случае горения газов и разные другие процессы при горении гетерогенных систем.

Волну горения удобно рассматривать в системе координат, перемещающейся вместе с ней. Пусть волна горения распространяется в направлении, обратном направлению координаты x/ (x/ - расстояние в неподвижной системе координат), со скоростью un. Уравнение теплопроводности в неподвижной системе координат запишем в следующем виде:

(1.11)

где t — время; cp — удельная теплоёмкость среды при постоянном давлении; - плотность; - коэффициент теплопроводности; QkФk — скорость тепловыделения в k-й реакции (суммирование ведётся по всем возможным реакциям). Нижний индекс у частной производной по времени указывает, что эта производная берётся при x/ =const.

Перейдём к системе координат, связанной с волной горения:

(1.12)

где x — расстояние в движущейся со скоростью un системе координат.

Заменяя в (1.1.1) x/ на x, получим

. (1.13)

Поскольку в стационарной волне горения профиль температуры остаётся неизменным, производная при x = const равна нулю. Поэтому имеем:

. (1.14)

Граничные условия для (1.1.4) (полагаем, что теплопотери отсутствуют и в волне горения достигается термодинамическое равновесие):

.

Для простоты будем считать, что в каждой точке стационарной волны горения имеется некоторая однозначная связь между концентрациями компонентов и температурой. Тогда скорость тепловыделения в уравнении (1.1.4) можно считать функцией только температуры и поэтому (1.1.4) можно рассматривать независимо от остальных уравнений. С учётом этого представим уравнение (1.1.4) в следующей простейшей форме:

(1.15)

Здесь скорость реакции Ф, являющаяся согласно сделанному предположению функцией только температуры, должна обращаться в нуль при Т=Тb, поскольку температура горения Тb соответствует завершению реакции; Q — тепловой эффект реакции.

Будем считать, что выделение тепла в волне горения происходит одностадийно, например, вследствие протекания только одной химической реакции. Подчеркнем, что это не означает отсутствие других реакций. Предположение состоит лишь в том, что вкладом в скорость тепловыделения от остальных реакций по тем или иным причинам можно пренебречь. Снова будем рассматривать уравнение теплопроводности (1.15):

(1.16)

Источник тепловыделения QФ в (1.16) зависит от концентраций реагирующих веществ ai. Связь между ai и Т в каждой точке волны горения в общем случае неизвестна и не может быть определена без решения полной системы уравнений, включающей уравнения для концентраций. Однако для нас пока достаточно считать, что такая связь в принципе имеется (полагаем, что решение задачи о стационарной волне горения существует), и рассматривать только одно уравнение (1.16).

Ввиду сильной зависимости скорости реакции от температуры в волне горения можно пренебречь всюду за исключением узкой зоны вблизи температуры горения Тb (такая ситуация изображена на рис. 1). Эту зону, где скорость реакции велика, называют зоной реакции (или зоной тепловыделения). Остальная часть волны горения, расположенная в области более низких температур, называется зоной прогрева (или прогретым слоем). В зоне прогрева тепловыделением от химической реакции можно пренебречь. Прогрев смеси в этой зоне от Т=Т0 до температур, несколько более низких, чем Тb, происходит за счет тепла, поступающего из зоны реакции. Размер зоны прогрева намного превышает размер зоны реакции.

Введём в (1.16) новые переменные. В качестве независимой переменной вместо координаты будем рассматривать температуру Т, а в качестве зависимой переменной тепловой потока:

(1.17)

Тогда уравнение (1.16) принимает вид

(1.18)

Введём температуру Тr, соответствующую границе между зонами прогрева и реакции. Температура Тr имеет в определённой мере условный смысл, поскольку ввиду непрерывной зависимости скорости реакции от температуры точной границы между зонами реакции и прогрева, конечно не имеется.

В зоне прогрева, т. е. в области температур Т0Т<�Тr, будем пренебрегать в уравнении (1.18) скоростью реакции. Следовательно, для зоны прогрева имеем:

? (1.19)

Интегрируя (1.19), получим

? (1.20)

Таким образом, в координатах q-T (тепловой поток — температура) зоне прогрева соответствует прямолинейный участок кривой q (T) с углом наклона, пропорциональным скорости горения m. Решение (1.20) показано на рис. 2 прямой линией 2.

Рис 2. Вид зависимости теплового потока q от температуры Т в однозонной волне горения в случае узкой зоны реакции:

Для нахождения зависимости Т от координаты x в зоне прогрева проинтегрируем (1.20) по x с учётом определения q по (1.17) (для простоты теплофизические характеристики смеси будем при этом считать постоянными). Интегрирование даёт:

(1.21)

где через const обозначена постоянная интегрирования. Величина входящая в показатель

(1.22)

экспоненты, имеет размерность длины и называется толщиной прогретого слоя (-температуропроводность; unнормальная скорость горения). Как видно из (1.21), на расстоянии, равном, перепад температуры в прогретом слое изменяется в «е» раз.

Поскольку основная часть одностадийной волны горения с узкой реакции приходится на прогретый слой, то величина одновременно характеризует размер всей волны горения. Таким образом, характерный размер волны горения lb равен .

Интегральная кривая уравнения (1.18) в случае узкой зоны реакции качественно изображена на рис 2 (кривая 1). Линейный рост в зоне прогрева сменяется резким падением в узкой зоне реакции (q=0 при T=Tb).

Можно показать, что в зоне реакции мало второе слагаемое в (1.18) (в среднем по зоне реакции порядок величины отношения второго слагаемого к первому составляет (Т-Тb)/(Tb-T0). Пренебрегая вторым слагаемым в (1.18) и интегрируя, получим для зоны реакции:

(1.23)

Зависимость q (T) по (1.23) показана на рис 2 кривой 3. Поскольку за пределами зоны реакции Ф (Т, аi) очень мала, то величина интеграла (1.23) практически перестаёт зависеть от нижнего предела, и кривая 3 насыщается в области низких температур. Поэтому для того, чтобы оценить по (1.23) значение q на границе между зонами прогрева и реакции можно в качестве нижнего предела интегрирования выбрать любое значение Т<�Тr, в частности Т=Т0. Сращивая (1.20) и (1.23) (ввиду узости зоны реакции для вычисления значения q на границе зон прогрева и реакции в (1.20) можно приближённо принять Т? Тb), получим основную формулу для скорости горения в приближении узкой зоны реакции:

(1.24)

Подчеркнём, что величина интеграла (1.24) не зависит (в рассматриваемом приближении) от нижнего предела интегрирования, поскольку Ф (Т, ai) заметно отличается от нуля только в области высоких температур вблизи температуры горения Тb.

Заключение

Опасности и угрозы всегда указывают на взаимодействие двух сторон:

— той, которая выступает источником и носителем опасности (явление, процесс, субъект, объект);

— той, на которую направлена опасность или угроза — объект, субъект;

Источники опасности — это условия или факторы, которые таят в себе и при определенных условиях сами по себе (либо в различной совокупности) проявляют или обнаруживают враждебные намерения, реальные или потенциально вредные действия. Источники опасности по своей сути имеют естественно-природное (земное), космическое, техническое и социальноэкономическое происхождение.

Известно, что объект — философская категория, выражающая то, что противостоит субъекту в его предметно-практической или познавательной деятельности, т. е. обладает нулевым значением суверенитета.

Субъект же — это носитель предметно-практической деятельности и познания (индивид, социальная группа, государство и т. д.), источник активности, направленной на объект и обладает максимальным суверенитетом;

Объектом угроз и опасностей являются человек, общество, государство. Эта триада представляет собой целостную систему.

Человек в системе (и, прежде всего, личность — творец) является высшей целью общественно-политического и социально-экономического развития страны.

Общество — это социальная среда, включающая реальные условия всестороннего развития творчества личности в системе общественных отношений.

Государство представляет собой организационно-политический механизм реализации общественных отношений и обеспечения гарантии и прав граждан в определенных рамках морали и нравственности. Государство должно возвышаться над личностью, так как его задача — создать механизм, чтобы творческое развитие личности на самом деле было высшей национальной целью, с одной стороны, но с другой — государство является владельцем (носителем) живого капитала.

Объектами угроз в государственном масштабе являются практически все сферы жизнедеятельности общества. В любой из них существуют специфические особенности опасности и угроз.

Человек выступает как объект и субъект опасностей и угроз. Диапазон проявлений человеческой сущности многообразен и противоречив. В ней необъяснимо уживаются эгоизм, иррациональность, агрессивность с отрицающими их подвижничеством, жертвенностью, благодеянием. Современный человек не торопится расставаться со своими пороками, выйти за рамки субъективного, индивидуально-алчного мира.

Известно, что мир представляется человеку в виде объективной и субъективной реальности. Человек преобразует природу и изменяет ее сам. Отсюда вывод, что человек одновременно является и субъектом толкования мира и его объектом.

Известное стремление человека жить лучше не получило еще необходимого приложения. Человек пока остается носителем различных по виду опасностей и угроз, регулятором «безопасности» .

Таким образом, человек прямо или опосредованно включен в разнообразную, сложноорганизованную систему отношений и процессов, выполняя в них активно-созидательную, пассивно-созерцательную или разрушительную роль.

Список литературы

ГОСТ 12.1.004−91 Пожарная безопасность. Общие требования. -М.: Издательство стандартов, 1992.-78 с.

Драйздел Д.

Введение

в динамику пожара.-М.: Стройиздат, 1990. — 420 с Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. — М.: Академия ГПС МВД России, 2000. 118 с.

Чешко И. Д. Экспертиза пожаров (объекты, методы, методики исследоания). — СПб.: СПбИПБ МВД РФ, 1997. — 122с.