Раздел 1. Пожар и процесс его развития

Пожар – комплекс физико-химических явлений, в основе которых лежат нестационарные процессы горения, тепло- и массообмена. Пожаром считается неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб.

Под очагом пожара понимают место наиболее интенсивного горения при трех условиях:

• непрерывном поступлении кислорода (воздуха);

• непрерывной подаче топлива;

• непрерывном выделении теплоты, необходимой для поддержании процесса горения.

Нарушение хотя бы одного условия вызывает прекращение горения. Очаг пожара – понятие относительное. В начальной стадии очагом пожара может быть небольшой участок или предмет в помещении. В процессе развития очагом пожара для здания может стать помещение, охваченное огнем.

Горение представляет собой процесс быстрого окис­ления с выделением за единицу времени значительного количества тепла, успевающего поддерживать его на уровне достаточно высоких температур. Обычно процесс горения протекает при реакции соединения горючего ве­щества с кислородом воздуха. Известно, что воздух сос­тоит из нескольких газов: азота —78%, кислорода — 21% и других—1%. При изменении концентрации кислорода в воздухе изменяется и интенсивность горения. Прекращается горение большинства веществ при со держании кислорода в воздухе до 14%. Некоторые материалы горят за счет кислорода, входящего в состав этих веществ-окислителей, которые выделяют кислород при разложении. К таким материалам относят порохи, способные гореть (взрываться) без доступа кислорода из­вне. Иные материалы способны гореть без кислорода, например фосфор горит в присутствии брома, медь — в парах серы, а алюминиево-магниевые сплавы — в углекислом газе

Теперь известно, что сгорание не является лишь результатом окисления. Например, в качестве возможного топлива для двигателей космических кораблей рассматриваются также атомарные вещества — атомы азота, кислорода и др.

Имеется и другой источник образования горения — это вещества, освобождающие энергию в результате разложения. Например, в обычной автогенной горелке ис­пользуют пламя ацетилена C₂Hs, сгорающего в струе кислорода. Однако здесь только пасть тепла образуется за счет реакции окисления. Около 17% тепла получается в результате распада ацетилена. Необходимо, чтобы горю­чее вещество и окислитель были подготовлены к горению и образовали горючую газовоздушную смесь. При нагревании все жидкие горючие вещества и бо­льшинство твердых, испаряясь или разлагаясь, превра­щаются в газообразные продукты, которые образуют го­рючие смеси с кислородом или другими реагирующими веществами. Для того чтобы началось горение газовоз­душной смеси, необходимо создать определенные началь­ные условия — воспламенить или зажечь смесь.

Первый способ заключается в том, что данная вос­пламеняемая смесь вся целиком доводится до такой тем­пературы, выше которой она самостоятельно, без внеш­него воздействия, воспламеняется. Разница между взрывом и воспламенением, вообще говоря, не имеется и различие в названии этого процесса является следствием только чисто внешних восприятий.

Второй способ заключается в том, что холодная смесь зажигается только в какой-либо одной точке пространст­ва посредством какого-либо высокотемпературного источ­ника (обычно это — искра, накаленное тело, постороннее пламя и т. д.). И дальнейшее воспламенение всего объема смеси происходит затем без внешнего вмешательства, са­мопроизвольно, но с определенной пространственной ско­ростью распространения зоны горения.

Наименьшую температуру, при которой горючее ве­щество в присутствии кислорода воздуха способно вос­пламениться, называют температурой самовоспламене­ния.

Наименьшую температуру, при которой вещество на­чинает устойчиво гореть под воздействием открытого ис­точника огня, называют температурой воспламенения. Если при этих же условиях не произойдет устойчивого горения, а будет наблюдаться только кратковременная вспышка, то наименьшая температура вещества, при ко­торой происходит подобное явление, называют темпера­турой вспышки.

Температура вспышки горючих жидкостей всего на несколько градусов ниже температуры воспламенения.

Пожарная опасность горючих жидкостей характери­зуется именно температурой вспышки. При температуре ниже, чем температура вспышки, воспламенение жидкости не произойдет, так как будет мала концентрация па­ров над ее поверхностью.

Распространение пожара представляет собой процесс распространения зоны горения по поверхности материа­лов за счет теплопроводности, тепловой радиации и кон­векции. Основную роль в распространении пожара игра­ет тепловая радиация пламени.

Основная часть тепла при горении идет на нагрева­ние окружающей среды, строительных конструкций и са­мих горящих веществ. Тепло в окружающую среду пере­дается за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Под теплопроводностью понимают явление переноса теп­ловой энергии путем непосредственного соприкоснове­ния между частицами тела.

Конвекция — явление переноса тепловой энергии пу­тем перемещения или перемешивания между собой ча­стиц жидкости или газа; тепловое излучение (лучеиспус­кание) — явление переноса тепловой энергии в виде элек­тромагнитных волн.

Переменными величинами, влияющими на так называе­мую массовую скорость выгорания, являются: влажность материала, плотность загрузки и метеорологические условия. Наиболее важным условием является скорость ветра и некоторые другие атмосферные явления, на ко­торых мы останавливаться не будем из-за сложности этих процессов. Средние значения массовой скорости выгорания некоторых твердых и жидких материалов приведены в табл. Они удовлетворяют практическим расчетам для определения длительности свободного горения на пожарах (т. е. до введения в действие огнегасительных средств).

Конвективные потоки на крупных пожарах достига­ют больших скоростей, что приводит к перебросу на зна­чительные расстояния горящих головней и искр. Это яв­ление ускоряет процесс распространения пожара за счет образования новых очагов горения перед основным фрон­том пожара. На пожарах лесобирж и сгораемых постро­ек наблюдались случаи переброса искр и головней на рас­стояние до 800 м, а при сильном ветре на более значитель­ные расстояния.

Интенсивность теплового излучения пламени при го­рении штабелей пиломатериалов в периоды максималь­ной скорости горения достигает 20—40 кал!см²мин, на расстоянии до 10 м от фронта пламени, а наиболее устой­чивая интенсивность тепловой радиации при горении го­рючей загрузки в жилых домах от факела пламени, вы­брасываемого из оконных проемов, составляет 6— 7 кал/см²мин, что вполне достаточно для воспламенения деревянных конструкций смежных зданий и сооружений. Скорость распространения горения по поверхности горючего материала кроме указанных факторов зависит также от их агрегатного состояния, теплофизических свойств, плотности распределения в пространстве и сече­ния элементов горючей загрузки (мебели, сгораемых кон­струкций, различных складированных материалов и т. п.).

Следует иметь в виду, что линейная скорость распространения горения твердых веществ и материалов зависит и от их положения в пространстве: горение гори­зонтальных поверхностей происходит медленнее, чем на­клонных и вертикальных. Это объясняется тем, что нак­лонные и вертикальные поверхности твердых веществ и материалов при горении, если оно начинается внизу, по­падают в тепловой поток, который способствует интен­сивному нагреву и выделению горючих газов.

Количество выделяемого тепла при горении зависит от теплотворной способности веществ и материалов и пол­ноты их сгорания. На пожарах часто наблюдают так на­зываемый химический недожог, который способствует сильному дымообразованию. Это означает, что в зону горения в единицу времени поступает недостаточное ко­личество кислорода воздуха и реакция окисления горю­чих газов или паров полностью не осуществляется.

Одним из факторов, характеризующих процесс раз­вития пожара, является выделение продуктов сгорания. При неполном сгорании веществ и материалов образуют­ся небольшие частицы, которые по каким-либо причинам, а чаще всего из-за недостатка окислителя не успевают сгореть и вместе с потоками горячих газов уносятся из зоны горения.

Находясь во взвешенном состоянии, они вместе с водяными парами образуют дым. В широком смысле под понятием дым подразумевают не только несгоревшие частицы и водяной пар, но и другие продукты сгорания: углекислый газ, окись углерода, окислы азота, фосген, синильная кислота, хлористый водород и др. Дым, как и высокая температура, сковывает действия пожарных и представляет угрозу для жизни. Концентрация или плот­ность дыма зависит в основном от химического состава реагирующих веществ и интенсивности притока кислоро­да воздуха в зону горения. Например, для полного сгора­ния 1 лг³ пропана С₃Н₈ требуется 23,8 м³ воздуха.

Чаще всего на пожарах получают отравления от оки­си углерода. Основными симптомами отравления оки­сью углерода являются боль в области лба и, висков, го­ловокружение и шум в ушах.

Дым значительно снижает видимость на пожаре. Осо­бенно плотное задымление возникает при горении таких веществ, как каучук, шерсть, хлопок, бензин, нефть и др. Плотность дыма измеряют по количеству несгоревших частиц, приходящихся на 1 м? объема воздуха.

Продукты сгорания, образующие дым, двигаясь от зоны горения, смешиваются с воздухом и образуют так называемую зону задымления, т. е. часть пространства, в котором во взвешенном состоянии находятся частицы несгоревших веществ, пары воды и т. д. При пожарах внутри зданий на определенном уровне устанавливается разграничительная (нейтральная) линия или линия рав­ных давлений, в плоскости которой давление равно дав­лению в окружающей атмосфере. Ниже этой нейтральной линии плотность дыма незначительна, поэтому опытные пожарные умело пользуются этим пространством при ту­шении пожаров.

Дымоудаление из помещений является одной из за­дач регулирования газообмена на пожаре. Во многих случаях для регулирования газообмена используют окон­ные проемы, световые фонари, вентиляционные шахты и т. д. В общем виде газообмен на пожаре подчиняется за­конам аэрации, т. е. естественной вентиляции помещений, происходящей за счет разности объемных весов наруж­ного и внутреннего воздуха и воздействия ветра. Воздухообмен в помещении зависит от теплового напора, т. е. от разности температур наружного и внутреннего воз­духа, а также от расстояния по вертикали между прое­мами, работающими на выпуск нагретого и впуск холод­ного воздуха.

На одном из пожаров, происшедшем в новостроящемся пятиэтажном холодильнике, в перекрытиях 4-го и 5-го этажей и в крыше были оставлены монтажные прое­мы, расположенные друг над другом. При горении на 4-м этаже дымовые газы стали выходить через монтажные проемы, а установившаяся при этом нейтральная линия на высоте 1 —1,5 м от пола позволила пожарным продол­жительное время находиться в помещениях 4-го этажа без противогазов.

Для ускорения вентиляции помещений используют также и механические устройства: дымососы, дымовые шахты с вентиляторами, иногда кондиционеры и т. д. Хорошо «осаждает» дым и снижает температуру внутри помещений высокократная пена, распыленная вода.

При так называемых наружных пожарах общая картина газообмена остается аналогичной той, которую наблюдают при пожарах в зданиях и сооружениях. Наг­ретые массы воздуха и продуктов сгорания стремятся уйти вверх и образуют при этом своеобразную тепловую колонку. Их место занимают холодные массы воздуха. Следует отметить, что в отличие от внутренних при на­ружных пожарах тепловая и дымовая колонки могут не совпадать.

Процесс развития пожара остается неуправляемым лишь до вмешательства человека или автоматических устройств. Зная закономерности развития пожара, спе­циалисты вырабатывают соответствующие приемы и спо­собы борьбы с огнем. Прекращение горения также подчи­няется своим законам и правилам. Неправильное исполь­зование огнегасительных средств может способствовать дальнейшему развитию пожара..планировочные ре­шения зданий и сооружений требуют постоянного поиска в приемах, способах и средствах тушения пожаров, выдвигают новые проблемы перед учеными и практическими работниками пожарной охраны.

Активное внедрение автоматических средств тушения пожаров качественно изменяет роль пожарного в слож­ной системе: человек — машина. Теперь пожарный не только и не столько источник мускульной энергии, необхо­димой для борьбы с пожарами. Все более значительное место в его деятельности занимают функции управления автоматическими устройствами и контроль за их работой. Поэтому бытующий еще в ряде случаев примитивный подход к оценке роли пожарного только как к источни­ку мускульной энергии является глубоко ошибочным. Для успешной борьбы с пожарами современный пожар­ный использует сложные машины и механизмы, которые он должен знать в совершенстве.