Газообмін при пожежі в приміщенні
Газообмін - це рух конвективних газових потоків, що виникають за рахунок:
- наявності самої пожежі;
- різниці температур нагрітих продуктів згоряння і холодного повітря;
- вітрових навантажень;
- примусової вентиляції в приміщенні.
Рух холодного повітря, що надходить у приміщення, і диму, що виходить із приміщення, підкоряються законам гідродинаміки.
Найбільш істотним фактором руху газів є протікання реакції горіння. Пожежа в приміщенні приводить до значного підвищення температури повітря, що збільшує інтенсивність газообміну.
На початковій стадії пожежі горіння протікає за рахунок повітря, що знаходиться в приміщенні, і газообмін з навколишнім середовищем відсутній. При цьому якийсь час пожежа не обмежується ні пожежним навантаженням, ні повітрообміном. З часом горіння інтенсифікується, а енергія, що виділяється, йде на нагрівання повітря, конструкцій і горючого матеріалу.
Характерна залежність температури пожежі Тпож і коефіцієнта надлишку повітря a від часу представлена на графіку. Видно, що при стабілізації коефіцієнта надлишку повітря пожежа переходить у фазу (II) розвитої пожежі. При цьому горіння стабілізується, температура практично не змінюється, підтримуючись на рівні приблизно 600°С.
При вигорянні пожежного навантаження кількість повітря, що надходить у зону горіння, залишається незмінним, а площа горіння знижується. Це приводить до збільшення коефіцієнта надлишку повітря. Температура в приміщенні знижується.
Перепад тиску, що виникає при пожежі в приміщенні, може підсилити надходження диму в інші частини будівлі.
При виникненні горіння в замкнутому об'ємі приміщення над осередком горіння виникають конвективні потоки продуктів горіння і нагрітого повітря. Холодне повітря підсмоктується димогазовим струменем у нижній частині конвективного стовпчика. На початковій стадії, якщо у осередка горіння маленькі розміри, газовий потік не досягає перекриття, тому що охолоджується за рахунок теплообміну і змішування з холодним повітрям.
При збільшенні площі горіння потужність теплового потоку збільшується, газове середовище над осередком горіння нагрівається сильніше, утворяться могутні конвективні потоки, що приводять до циркуляції всієї маси газів у приміщенні. У нижній частині стовпчика відбувається підсмоктування повітря, частина якого взаємодіє з горючою речовиною. Надлишок цього повітря змішується з продуктами горіння. При маленькій висоті приміщення гарячі потоки можуть досягати перекриття і обігрівати його. Продукти горіння, що остигають за рахунок теплопередачі в стелі і стіни приміщення, опускаються вниз. Безперервна циркуляція газових потоків супроводжується підвищенням середньооб'ємної температури в приміщенні.
Характер руху повітряних мас залежить від конфігурації приміщення, наявності отворів і їх взаємного розташування.
Якщо газообмін здійснюється через отвори, розташовані на різному рівні, їх можна умовно розділити на приточні (з яких надходить свіже повітря в приміщення) і витяжні (з яких гарячі продукти згоряння виходять в атмосферу).
Характер руху газових потоків при цьому може мати вигляд:
При газообміні через один отвір, наприклад відкриті двері, вікно або кілька отворів, що знаходяться на одному рівні, процес притоку повітря і виходу продуктів горіння здійснюється через один отвір. На приток працює тільки нижня, приблизно третя частина отвору.
При цьому спостерігається інший характер проходження газових потоків, що зображений нижче.
Для виявлення загальних закономірностей газообміну приймають деякі допущення:
1. Температура продуктів горіння в приміщенні вище, ніж температура навколишнього повітря, і з часом температура продуктів горіння не змінюється.
2. Впливом вітру на газообмін зневажають.
3. Площа і розташування приточного і витяжного отвору не змінюється.
4. При газообміні маса вхідного повітря дорівнює масі вихідних продуктів горіння.
Насправді, процес пожежі практично не можна вважати стаціонарним, тому мова йде про період розвитої пожежі, коли його характеристики змінюються мало.
Щільність продуктів горіння в нижній і верхній частині приміщення відрізняється від щільності навколишнього повітря. Але на деякій висоті від рівня підлоги приміщення тиск газового середовища буде таким же, як і тиск повітря поза приміщенням. Цю площину прийнято назвати нейтральною зоною.
Висоту нейтральної зони, з урахуванням висоти приточного отвору, можна визначити зі співвідношення:
де Sприт - площа приточного отвору, м2; Sвих - площа витяжного отвору, м2; r пг - щільність продуктів горіння, кг/м3; r у - щільність повітря, кг/м3;hприт - висота приточного отвору, м; Н - відстань (у вертикальному напрямку) між центрами приточного і витяжного отвору.
У більшості випадків при горінні в огородженні тиск змінюється незначно, тому можна вважати, що щільність газу назад пропорційна його температурі, і тоді останнє співвідношення можна записати у виді:
де Тв; Тпг - абсолютна температура повітря, що надходить у приміщення, і продуктів горіння, відповідно, К.
Якщо повітрообмін здійснюється через отвори, розташовані на одному рівні, нейтральна зона розташовується безпосередньо в площині отворів, через які відбувається газообмін. При цьому вище нейтральної зони продукти горіння виходять назовні, а в нижній частині отвору відбувається підсмоктування повітря усередину приміщення. У цьому випадку положення нейтральної зони визначають зі співвідношення:
де h - повна висота прорізу, через який здійснюється повітрообмін, м.
Вітрові навантаження можуть викликати зміну поля тиску навколо будівлі в цілому. При цьому може змінитися характер розподілу тиску з навітряної і підвітряної сторони будівлі. Характер проходження повітряних потоків має вигляд:
З навітряної сторони будинку утвориться надлишковий тиск, а з підвітряної сторони тиск зменшується.
Сучасні виробничі і адміністративні будівлі обладнані системами примусової приточно-витяжної вентиляції. При роботі таких систем створюються повітряні потоки, що можуть як сприяти, так і перешкоджати поширенню пожежі. Для видалення продуктів згоряння проектуються системи видалення диму.
МЕТОДИ РЕГУЛЮВАННЯ ГАЗООБМІНУ НА ПОЖЕЖІ
При організації гасіння пожежі, а також для успішної евакуації людей із зони задимлення необхідно проводити заходи щодо регулювання положення нейтральної зони в приміщенні.
Аналіз отриманих залежностей положення нейтральної зони показує, що положення нейтральної зони буде тим вище, чим менший тиск продуктів горіння і більший тиск свіжого повітря, що надходить у приміщення. Таким чином, основними напрямками регулювання газообміну при пожежі в огородженні можуть бути:
1. Зниження тиску у верхній частині палаючого приміщення, шляхом відкачування нагрітих продуктів згоряння пересувними димососами і використання систем примусового видалення диму і вентиляції приміщень.
2. Підвищення ефективності процесу вентиляції приміщення за рахунок розкриття витяжних отворів у зоні, де створюється максимальна температура і тиск продуктів горіння. Для цього звичайно розкриваються димові люки і ліхтарі у верхній частині приміщення.
У деяких випадках для випуску диму і зниження температури проводять розбирання перекриттів.
3. Зниження температури і осадження продуктів згоряння розсіювачими водними струменями.
4. Регулювання співвідношення площ приточных і витяжних отворів. Нейтральна зона завжди розташовується ближче до тих отворів, площа яких більше. По цьому, при додатковому розкритті отворів у нижній частині приміщення, що працюють на притоку, і значному перевищенні їх над площею витяжних отворів нейтральна зона може опускатися.
5. Підвищення тиску повітря в нижній частині приміщення шляхом нагнітання повітря в нижню частину приміщення димососами.
6. Зміна напрямку проходження конвективних потоків шляхом пристрою перемичок, перешкод для поширення диму за допомогою повітряно - механічної піни, пристрою протипожежних завіс і інших перешкод.