Возникновение и развитие газообмена при пожаре

Статическое давление газовой смеси внутри помещения и воздуха снаружи изменяется по высоте в соответствии с законом Паскаля. В первом приближении можно считать, что это распределение является линейным и описывается выражением: р = р₀ – ρgh, где р – давление столба газа высотой h, Па; р₀ – давление газа на базовой плоскости (h = 0), Па.

До пожара распределение давлений воздуха по высоте внутри и снаружи помещения, как правило, складывается так, что в верхней части давление больше, а в нижней части – меньше атмосферного (рис. 12).

Рисунок. 12 - Распределение давлений внутри и снаружи помещения: сплошная линия – эпюра давлений воздуха снаружи; пунктирная линия – эпюра давлений воздуха внутри помещения

ПРД

h

∆р>0

∆р< 0

h₀

h_н.з

Δр = 0

На некоторой высоте давление воздуха внутри равно давлению снаружи. На этом уровне располагается условная горизонтальная плоскость, которая называется плоскостью равных давлений (ПРД) или нейтральной зоной. Расстояние от ПРД до пола считается высотой нейтральной зоны и обозначается h_н.з.

Через все отверстия, расположенные выше ПРД, воздух вытекает из помещения, ниже ПРД – поступает в помещение (см. рисунок 12).

Возникновение очага горения в помещении сразу вызывает повышение давления газовой среды, так как объем продуктов горения, даже при нормальных условиях, больше объема израсходованного воздуха. Среднеобъемная температура и, соответственно, плотность газовой среды в первый момент изменяются незначительно. В соответствии с выражением p = p₀ – ρgh распределение давлений по высоте помещения также остается практически неизменным. В результате этого давление газов внутри помещения на всех уровнях возрастает на одну и ту же величину, эпюра давлений смещается практически параллельно, ПРД опускается. При этом, как правило, ПРД оказывается ниже нижней отметки проема, и газы вытекают из помещения через все имеющиеся отверстия (открытые проемы, щели и т. п.) независимо от их расположения. Процесс горения в такой ситуации развивается за счет запаса кислорода, имевшегося в помещении.

По мере развития процесса горения среднеобъемная температура повышается, плотность газовой среды уменьшается – эпюра давлений поворачивается. Одновременно с этим снижается концентрация кислорода в газовой среде, которая поступает в зону горения – в результате скорость выгорания уменьшается. Соответственно уменьшается скорость расширения газовой среды, и давление внутри помещения начинает снижаться – эпюра давлений смещается влево, ПРД поднимается. Через проемы, расположенные ниже ПРД, в помещение поступает воздух, через проемы, расположенные выше ПРД, выталкивается образующаяся смесь газов, состав которой изменяется по мере развития процесса горения.

Газообменом на внутреннем пожаре является вентиляция помещения, инициируемая процессом горения и тесно с ним взаимосвязанная.

Основными параметрами газообмена являются:

– требуемый расход воздуха , кг/с, – расход воздуха, необходимый для полного сгорания материала с данной массовой скоростью;

– фактический расход воздуха , кг/с, – масса воздуха, поступающего в помещение при пожаре в единицу времени;

– коэффициент избытка воздуха α, равный отношению:

(1)

Требуемый расход воздуха находится по формуле

(2)

где – удельная массовая скорость выгорания, кг/(м²·с);

S_п – площадь пожара, м²;

– теоретический объем воздуха необходимый для горения, м³/кг;

ρ_в – плотность воздуха, кг/м³.

В качестве примера рассмотрим пожар в помещении с одним открытым проемом.

В ходе развития пожара параметры процессов горения, тепло- и газообмена изменяются. Во многом это определяется положением плоскости равных давлений относительно верхней и нижней отметок проема.

В начальный момент возникновения притока воздуха в помещение плоскость равных давлений, как правило, оказывается на уровне потолка.

По мере развития процесса горения и, соответственно, увеличения объема выделяющихся газов она опускается. Это продолжается до тех пор, пока массовая скорость выгорания горючего v_м не достигнет максимального значения.

Пока ПРД располагается выше верхней отметки проема, газы из помещения не удаляются, и проем работает только на приток воздуха. Если ПРД находится между верхней и нижней отметками проема, выше ПРД из помещения выходят нагретые газы, ниже – в помещение поступает воздух. В тех случаях, когда ПРД опускается ниже нижней отметки проема, приток воздуха в помещение прекращается, интенсивность горения уменьшается, массовая скорость выгорания падает. Вследствие этого уменьшается объем выделяющихся газов и, соответственно, давление в помещении. Плоскость равных давлений поднимается, и в помещение поступает воздух.

Для оценки фактического расхода воздуха рассмотрим ситуацию в момент времени, когда ПРД располагается между верхней и нижней отметками проема на высоте h₀ относительно пола. ПРД будем считать базовой плоскостью, на которой давление газов р_г и воздуха р_в равны р₀. Давление на этом уровне примем в качестве точки отсчета –p₀ (см. рисунок 13).

Δp> 0

Δp< 0

h

h

h

h₀

p_г = p₀ − ρ_гgh

p_в = p₀ + ρ_вgh

Рисунок 13 - Схема распределения давлений и газовых потоков при пожаре в помещении:стрелками показано направление движения газовых потоков; сплошная линия – эпюра давлений воздуха снаружи; пунктирная линия – эпюра давлений газовой среды внутри помещения

Тогда на расстоянии hот ПРД давление газов будет равно p_г =p₀ – ρ_гgh,воздуха – p_в = p₀ + ρ_вgh(ρ_гиρ_в – плотности газов и воздуха, соответственно).

Разность давлений газа (внутри помещения) и воздуха (снаружи) на расстоянии h будет равна:

выше ПРД Δp = (ρ_в–ρ_г)gh> 0;

ниже ПРД Δp = (ρ_г–ρ_в)gh< 0.

Поскольку нас интересует не направление действия Δp, а его абсолютная величина, можем записать: |Δр| = (ρ_в– ρ_г)gh. Величина Δp является избыточным статическим давлением, которое создает динамическое давление, равноеρω²/2 (ω – линейная скорость потока воздуха или газа). Массовые расходы воздуха G_в,

(3)

При достижении стационарного режима газообмена, когда h₀ перестает изменяться и некоторое время находится на одном уровне, G_г ≈ G_в.На других стадиях пожара они различаются не более чем на 10–15 % [15]. Это позволяет в каждый момент времени считать процесс газообмена квазистационарным приG_г ≈ G_в. Тогда, приравняв правые части выражений (7) и (8), получим выражение для оценки положения ПРД относительно нижней отметки проема:

(4)

Подставив выражение (9) в выражение (8) и учитывая, что произведение ВН равноплощади проемаS_пр, получим:

(5)

Проведем анализ этой формулы. Коэффициент сопротивления проема изменяется в пределах 0,6–0,7. Можно считать, что μ = 0,65. Используя уравнение Клапейрона, плотность газовой среды можно представить как

(6)

где Т₀ – температура воздуха, К;

Т_п – температура пожара, К.

Плотность воздуха обычно принимается равной 1,2 кг/м³, а T₀ = 293 К (то есть 20 °С). Тогда ρ_г ≈ 352 / T_п. Допустим, что в ходе развития пожара температура возросла от 100 до 1000 °С. Соответственно ρ_г понизилась с 0,944 до 0,277 кг/м³. Если проемность помещения не изменилась, то G_в уменьшился от . То есть при 10-кратном повышении температуры пожара массовый расход воздуха изменяется менее чем на 40 %. Поэтому фактический массовый расход воздуха, поступающего в помещение, приближенно можно оценить как

G_в≈ . (7)

Произведение называется параметром проемности помещения. Чем выше интенсивность газообмена, тем больше холодного воздуха поступает в помещение, тем больше из него удаляется нагретых газов.Поэтому в помещениях с большой площадью вскрывшихся проемов максимальная температура пожара должна быть ниже. Соответственно, искусственное увеличение интенсивности газообмена путем применения вентиляторов, дымососов, вскрытия конструкций и т. д. в ходе тушения пожара должно приводить к понижению температуры газовой среды в очаге. Однако так бывает не всегда.