Контрольные вопросы

1. Назовите основные параметры пожара.

2. Как оценивают площадь открытого пожара, внутреннего пожара?

3. Что принимается за температуру открытого и внутреннего пожара?

4. Как рассчитывается тепловой эквивалент пожарной нагрузки?

5. Приведите выражение для определения интенсивности тепловыделения на пожаре при известной массовой скорости выгорания?

6. Что такое дебит газового фонтана?

7. Что принимается за температуру открытого и внутреннего пожара?

8. Как рассчитывается тепловой эквивалент пожарной нагрузки?

9. Как определяется линейная скорость выгорания от приведенной и

удельной массовых скоростей выгорания?

10. Как можно определить коэффициент поверхностного горения?

Г л а в а 6

Динамика газообмена на внутреннем пожаре Общие положения

Для поддержания горения на пожаре необходим постоянный приток кислорода в составе свежего воздуха в зону химических реакций и удаление из нее образующихся газообразных продуктов горения. При пожарах в помещениях газообмен зависит от наличия проемов, щелей и во многом регулирует процессы горения и теплопереноса. Чем больше приток поступающего воздуха, тем более интенсивно протекает процесс горения, тем выше интенсивность тепловыделения, быстрее развивается пожар. Таким образом, процессы горения и газообмена являются взаимозависимыми.

На внутреннем пожаре создается непрерывная циркуляция газовых потоков внутри помещения. При наличии проемов формируется встречный поток свежего воздуха, обеспечивающий доставку кислорода в зону горения.

Как любой физико-химический процесс, газообмен имеет свои за­кономерности. Основные закономерности газообмена при пожаре рассмотрим на примере помещения, имеющего один проем высотой (Н), в качестве которого может быть окно (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Схема движения газовоздушных потоков через оконный

проем при развитом пожаре

Внутренний пожар яв­ляется нестационарным процессом, его протекание сопровождается выполнением следующих условий:

− масса, втекающего в помещение воздуха, равна массе удаляемых дымовых газов;

− движущей силой возникающих конвекционных потоков является разность плотностей нагретых дымовых газов и воздуха:

Δρ = ρ_в − ρ_г;

− в результате газообмена через нижнюю часть проемов в помещение входит более плотный свежий воздух, вытесняя через верхнюю часть дымовые газы;

− давление газов в нижней части помещения за счет конвекционных потоков направленных вверх меньше, а в верхней  больше атмосферного.

Если помещение, в котором происходит пожар, мысленно рассечь по высоте на множество горизон­тальных плоскостей, то найдется такая плоскость, в которой дав­ление будет равно атмосферному, т.е. избыточное давление равно нулю. Эту плоскость называют плоскостью равных дав­лений (ПРД) или нейтральной зоной.

Нейтральная зона при пожаре в различных помещениях или зданиях в зависимости от интенсивности газообмена и разности температур окружающей среды и внутри помещения будет нахо­диться на различной высоте. Положение нейтральной зоны может меняться из-за изменения соотношения площадей нижних и верхних проемов, а в случае одного проема от места его расположения и геометрических размеров.

Движение входящих и выходящих из помещения потоков индуцируется подъемной силой. Через все проемы выше плоскости равных давлений из помещения удаляются дымовые газы, а через расположенные ниже − поступает свежий воздух. В начальный период пожара ПРД, как правило, находится вблизи потолка, т.е. выше верхней отметки проема. В связи с этим проем работает только на приток воздуха. По мере развития пожара и соответственно увеличения объема образующихся продуктов горения плоскость равных давлений снижается. Если ПРД устанавливается между верхним и нижним срезами проема, то выше нее из помещения выходят дымовые газы, ниже − поступает свежий воздух. Наиболее низкое положение ПРД занимает при максимальной интенсивности тепловыделения. В этом случае она может оказаться ниже нижнего среза проема, что приведет к прекращению поступления в помещение свежего воздуха и, следовательно, резкому снижению интенсивности горения. Произойдет уменьшение объема дымовых газов и соответственно их давления. В результате плоскость равных давлений поднимется, и в помещение опять начнет поступать воздух. Искусственно поднять уровень ПРД можно путем использования дымососов либо вскрытия новых проемов. Однако необходимо помнить, что вскрытие новых проемов может способствовать интенсификации процесса горения и в конечном итоге увеличению температуры пожара.

Положение нейтральной зоны по высоте проема (h₀) относительно его нижней отметки может быть рассчитано из следующего выражения:

, (6.1)

где ρ_в, ρ_г − плотность воздуха и дымовых газов, соответственно.

Если нижняя отметка проема находится на расстоянии С от пола, то выражение (6.1) приобретает вид:

. (6.2)

При наличии в помещении двух проемов, расположенных на различной высоте помещения, положение нейтральной зоны будет зависеть от соотношения их площадей. Расстояние до нее от оси нижнего проема h_1­ рассчитывается по формуле:

, (6.3)

где L − расстояние между осями нижнего и верхнего проемов; f₁, f₂ − площади нижнего и верхнего проемов, соответственно.

Выше и ниже ПРД в проеме перепад давлений Δр по абсолютной величине составит:

. (6.4)

При этом перепад давлений выше ПРД будет больше нуля, а ниже ПРД меньше нуля.

Величина Δр является тем статическим избыточным давлением, которое создает динамический напор, связанный с выходом дымовых газов и вхождением в помещение свежего воздуха. В общем виде она рассчитывается из уравнения:

, (6.5)

где ρ, υ_л − плотность и линейная скорость (м/с) потока воздуха или газа. Отсюда на расстоянии h выше и ниже от ПРД линейные скорости дымовых газов и воздуха в проеме после приравнивания (6.4) к (6.5) будут определяться соответственно по формулам:

и . (6.6)

Примем во внимание, что линейные скорости воздуха и дымовых газов будут существенно различаться по высоте проема, но для типичных условий они обычно не превышают 5−10 м/с.

В качестве количественной характеристики газообмена при пожаре в помещении используется его интенсивность (I_г), представляющая собой отношение массы воздушного потока, входящего в помещение, к площади пожара, другими словами это масса воздуха ( ), поступающего в единицу времени на единицу площади пожара (F_п)

, кг/с^.м² (6.7)

Основными параметрами газообмена являются:

− теоретический расход воздуха (кг/с) – расход воздуха, необходимый для полного сгорания материала:

= (6.8)

где – приведенная массовая скорость выгорания, кг/(м²с), F_п – площадь пожара, м²; – теоретический объём воздуха необходимый для горения, м³/кг; ρ_в – плотность воздуха, кг/м³.

– фактический расход воздуха (кг/с) – масса воздуха, поступающего в помещение при пожаре в единицу времени. При газообмене через один проем или несколько проемов, расположенных на одном уровне:

(6.9)

где F_пр − площадь проема; Н − высота проема; μ − коэффициент сопротивления проёма (μ = 0,6 – 0,7); g – ускорение свободного падения, м/с²; _в – плотность воздуха, кг/м³; _г – плотность продуктов горения, кг/м³.

− коэффициент избытка воздуха на внутреннем пожаре – отношение фактического расхода воздуха к требуемому (теоретическому):

(6.10)

Коэффициент избытка воздуха определяет среднеобъемную концентрацию кислорода в продуктах горения в данный момент времени. При свободном развитии пожара коэффициент избытка воздуха изменяется. Вначале‚ пока массовая скорость выгорания мала и невелик, проемы практически не лимитируют приток воздуха в помещение. Коэффициент избытка воздуха в этом случае может составлять более 40. По мере увеличения массовой скорости выгорания возрастает требуемый расход воздуха, а пропускная способность проемов уменьшается вследствие снижения ПРД. Коэффициент избытка воздуха резко уменьшается. Соответственно изменяется и среднеобъемная концентрация кислорода в продуктах горения. Каждое горючее вещество имеет свое значение предельной концентрации кислорода , ниже которого гомогенное горение прекращается. Если в ходе уменьшения a концентрация кислорода в продуктах горения понизится до значения, предельного для данного горючего, пламенное горение может прекратиться. Если среднеобъемная температура при этом была ниже температуры воспламенения горючих веществ, находящихся в помещении (для твеpдых матеpиалов ~300^oC), возможно самозатухание пожара. Постепенное прекращение пламенного горения вызовет уменьшение массовой скорости выгорания и, соответственно, требуемого расхода воздуха.

Коэффициент избытка воздуха связан с объемной концентрацией кислорода соотношением:

(6.11)

Отметим, что при оперировании расходами воздуха или дымовых газов на пожаре удобнее пользоваться их массовыми, а не объемными величинами. Объемы газов сильно зависят от температуры, что затрудняет выполнение расчетов в условиях ее слабого контролирования. При установившемся режиме газообмена масса входящего воздуха будет равна массе уходящих газов.

График зависимости плотности продуктов горения от температуры приведен в приложении П. 11. Плотность воздуха и продуктов горения в зависимости от температуры можно также рассчитать по следующим формулам:

, кг/м³; (6.12)

, кг/м³. (6.13)

где p и Т_ос – давление (Па) и температура (K) окружающей среды; М_iпг – молярная масса i–го продукта горения; ν_iпг – коэффициенты в уравнении реакции горения для i–тых продуктов горения.

Произведение из уравнения (6.9) называется параметром вентиляции или коэффициентом проемности помещения. В случае, когда скорость горения не зависит от массовой скорости входящего потока воздуха при данной проемности помещения, пожары относятся к регулируемым пожарной нагрузкой. В противном случае, когда количество входящего воздуха определяет интенсивность процесса горения, пожар считается регулируемым вентиляцией. Данный режим пожара считается значительно опаснее особенно при наличии высокой температуры в помещении, способствующей интенсивному пиролизу горючих материалов. Увеличение притока свежего воздуха в этом случае может привести к объемной вспышке.

При горении штабеля древесины режим пожара можно определить по параметру Ф:

(6.14)

где ρ_в – плотность воздуха, кг/м³, g – ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с²; F_пр – площадь проема, м²; Н – высота проема, м; F_пг – площадь поверхности горения, м².

Если Ф  0,235 – пожар относится к регулируемым вентиляцией, при Ф  0,29 – к регулируемым нагрузкой. При 0,235< Ф < 0,290 – комбинированный режим пожара, когда в помещении имеются одновременно участки, где приток воздуха обеспечивает режим ПРН (обычно вблизи проемов), и участки, где режим ПРВ.

Интенсивность газообмена, установившегося при пожаре в помещении с одним проемом, может быть определена с учетом (6.9) по формуле (6.7).

При наличии в помещении двух проемов массовая скорость входящего потока воздуха находится из развернутого выражения:

, (6.15)

где μ₁, μ₂ − коэффициенты сопротивления верхнего и нижнего проемов, соответственно; f₁, f₂ − площади проемов; L − расстояние по высоте между осевыми линиями проемов.

Анализ формулы (6.15) показывает, что при площади нижнего проема вдвое больше площади верхнего газообмен увеличивается примерно на 26 %, а при обратном соотношении уменьшается на 36 %.

В каждом конкретном случае интенсивность газообмена зависит от конструктивно-планировочных решений здания, помещения, сооружения (числа и площади проемов, их формы и расположения по высоте и периметру помещения), а также от параметров пожара. Максимальная интенсивность газообмена, достигающая 6 кг/с^.м², присуща пожарам в выставочных залах, театрах цирках, вокзалах, ангарах, высота помещения которых превышает 6 м.