6.1.5. Развитие пожаров твердых горючих веществ в помещении

Прежде чем разобрать закономерности развития пожара в помещении, необходимо уяснить два важных термина.

Различают пожары, регулируемые нагрузкой - ПРН (когда кислорода в помещении избыток и скорость распространения пожара определяется только скоростью горения пожарной нагрузки¹) и пожары, регулируемые вентиляцией - ПРВ (в этом случае кислорода, имеющегося в помещении, недостаточно для горения всей пожарной нагрузки и сгорает только та ее часть, для которой хватает кислорода).

Стадии развития пожара в помещении

При развитии пожара в помещении различают три стадии: начальную, основную и конечную [17].

Начальная стадия

Продолжается от начала горения до охвата пламенем всего помещения.

Пока очаг горения мал, температура очага (400-600 С) значительно превышает температуру воздуха в помещении (10-20 С), поэтому теплообмен осуществляется практически только конвекцией. Горячие продукты горения поднимаются вверх и скапливаются под потолком. Пожар является регулируемый нагрузкой.

С каждой секундой объем продуктов горения увеличивается и их давление растет, достигая значений 0,01-0,03 кПа. Для сравнения отметим, что атмосферное давление составляет Р_атм = 101,3 кПа; давление взрыва, при котором разрушается остекление зданий – Р_пр = 5 кПа; давление взрыва газопаровоздушной смеси стехиометрического состава – порядка Р_взр = 900 кПа. Видно, что давление продуктов горения в помещении сравнительно невысокое, однако его достаточно для активного вытеснения дыма из помещения и для препятствия проникновению свежего воздуха (если помещение закрытое).

Постепенно огонь распространяется по помещению. С уменьшением разницы между температурой продуктов горения и среднеобъемной температурой в помещении растет роль излучения в теплообмене. В целом, теплообмен при пожаре в помещении осуществляется излучением (его роль возрастет со временем), конвекцией (ее роль со временем уменьшается) и теплопроводностью (роль незначительна).

Отметим, что конвективный подъем высоконагретых продуктов горения способствует распространению пожара в вышерасположенные помещения. Особенно он опасен в зданиях со сгораемыми перекрытиями, которые были характерны для строительства в 30-50-е годы. Уход пожара в пустоты сгораемых перекрытий, перегородок и кровель может привести к быстрому скрытому распространению пожара, неожиданному обрушению и т.д. Поэтому при тушении пожаров в зданиях необходимо не только ликвидировать очаг горения, но и предотвращать его распространение по конструкциям за счет конвективного теплообмена.

В зависимости от размеров помещения возможны два варианта распространения пожара.

Вариант 1. Если помещение имеет большой свободный объем (обычно более порядка 1000 м³) или большие открытые проемы, процесс распространения пожара протекает путем постепенного охвата пламенем предметов (изделий, материалов) одного за другим. Пожар при этом остается регулируемым нагрузкой (ПРН).

Вариант 2. В закрытых помещениях меньшего объема (менее порядка 1000 м³) распространение горения происходит несколько иначе. Вначале происходит быстрое выгорание кислорода, токсичность продуктов горения растет (опасные концентрации наступают уже на 5 минуте развития пожара). В этот период пожар чаще всего является регулируемым вентиляцией - ПРВ. Максимальная температура (300-350 С) образуется вверху помещения (в связи с конвективным подъемом горячих продуктов горения). Там же скапливаются горящие сажистые частички, которые активно излучают тепло и выделяют оксид углерода СО – горючий газ (область воспламенения 12-74 %).

Помещение заполняется летучими, выходящими:

• из ТГВМ (напомним, что температура в помещении достигает 300С и соответствует стадии 4.2 воспламенения древесины, при которой из всех горючих веществ активно выделяются летучие);

• из зоны паров¹ горящих веществ с продуктами горения (вследствие недостатка кислорода они все не сгорают в пламенной зоне и проскакивают в помещение).

В этот момент могут наблюдаться проскоки пламени от горящих материалов в ограниченные объемы летучих (концентрация в которых достигла НКПРП), что приводит к дальнейшему росту давления и температуры.

Наступает колебательный режим, температура в помещении составляет порядка 500 С и выравнивается по высоте.

Когда концентрация летучих достигает НКПРП и при наличии достаточного количества воздуха, происходит проскок пламени в высоконагретый слой продуктов неполного горения припотолочного слоя дыма. Это воспринимается как объемная вспышка (flashover) – кинетическое сгорание газопаровоздушной смеси, когда горение мгновенно, со скоростью до сотен метров в секунду охватывает все поверхности внутри помещения. В результате свободный объем помещения превращается в зону горения (объемный пожар). Обычно это сопровождается разрушением остекления проемов вследствие резкого нарастания давления (выше 5 кПА). Соответственно в помещение начинает поступать свежий воздух, интенсифицируя горение, пожар становится регулируемый нагрузкой.

Главную роль в возникновении объемной вспышки играет излучение из высоконагретого слоя продуктов горения под потолком.

Исследователями определено условие возникновения объемной вспышки, которое позволяет рассчитывать время и условия возникновения этого опасного явления:

(6.1)

где q – скорость тепловыделения, кВт/ч;

S_ок – площадь вентиляционных проемов, м²;

S_пр – площадь ограждающих конструкций, м²;

h – высота проемов, м.

После того, как горение охватило весь объем помещения, заканчивается начальная и начинается основная стадия развития пожара.

Однако на практике случается, что после охвата пламенем всего помещения пожар не всегда сразу переходит в основную стадию. Если свободный объем помещения небольшой, то при объемном пожаре быстро расходуется запас кислорода и при достижении 14 - 15 % пламенное горение прекращается. Пожар становится регулируемым вентиляцией (ПРВ). Отметим, что тление при этом может продолжаться, т.к. для этого достаточно 3 - 6 % кислорода. Полное прекращение горения (пламенного и беспламенного) происходит редко. Как правило, всегда есть приток воздуха через неплотно закрытые проемы, щели и т.д., а температура газовой среды в помещении успевает достичь температур воспламенения горючих материалов. Тлеющие участки представляют собой источник зажигания. Поэтому через какое-то время, в зависимости от скорости притока воздуха, в помещении создается смесь горючих продуктов пиролиза с воздухом и пламенное горение возобновляется. Процесс затухания и интенсификации горения может неоднократно повторяется (рис. 6.5).

Если во время «затухания» обеспечить доступ воздуха в помещение (например, открыв дверь), произойдет мгновенное образование и воспламенение горючей смеси (обратная вспышка - backdraft). А поскольку объем продуктов сгорания всегда больше объема исходной смеси, в помещении резко возрастет давление и произойдет выброс нагретых газов. Обратная вспышка может быть причиной травм или гибели пожарных при тушении пожаров, например, в подвалах, банях-саунах, гаражах, холодильниках и т.д.

После того как все горючие материалы уже охвачены пламенем, рост площади пожара в данном помещении прекращается и начинается более интенсивное повышение среднеобъемной температуры (см. рис. 6.5).

Рис. 6.5. Изменение температуры пожара (t_п) и концентрации кислорода при пожаре в закрытом негерметичном помещении

Итак, первая или начальная стадия пожара заканчивается охватом пламенем всего помещения, которое в небольших закрытых помещениях происходит в виде общей вспышки. После общей вспышки может наступить или основная стадия пожара, или, в условиях закрытого помещения – затухание пожара (полное или чередующееся с временной интенсификацией горения).

Основная стадия

В начале второй, основной, стадии пожара при наличии достаточного притока воздуха увеличивается скорость выгорания горючих веществ, теплота пожара, растет температура газовой среды. Пожар чаще всего является регулируемым нагрузкой.

Возникший перепад давления по высоте помещения способствует проникновению кислорода воздуха и вытеснению продуктов горения – газообмену на пожаре.

Через некоторое время прекращается изменение параметров процессов тепло- и газообмена, температура достигает максимального значения (500 – 900 С).

На этой стадии выгорает 80 – 90 % пожарной нагрузки.

Конечная стадия

При свободном развитии пожара горючие материалы постепенно выгорают и пожар переходит в стадию затухания.

Стадии пожара и соответствующие изменения температуры пожара (t_п), площади пожара (F_п) и линейной скорости горения (U_л) изображены на рис. 6.6. Видно, что при завершении начальной стадии пожара рост линейной скорости горения и площади пожара прекращается (т.к. все горючие материалы уже охвачены огнем), а температура пожара еще некоторое время продолжает расти.

Рис. 6.6. Изменение температуры, площади пожара и линейной скорости горения на начальной, основной и конечной стадии развития пожара

Добавим, что средняя продолжительность пожара в Воронежской области составляет, порядка 45 мин, причем время ликвидации (площадь пожара F_п неизменна или уменьшается) – 15 мин. Средняя площадь пожара составляет для жилых малоэтажных домов порядка 25 м². Для городов, где выше плотность расположения пожарных частей и их боеготовность, эти показатели несколько меньше.

Таким образом, в распространении пожара в помещении участвуют следующие способы теплопередачи:

• излучение (как от пламени, так и от припотолочного облака дыма);

• конвекция (дает основной вклад при распространении горения в помещениях в начальный период, когда температура очага горения значительно выше среднеобъемной);

• теплопроводность.

В различных условиях роль каждого вида теплообмена может меняться, на чаще всего доминирующим является излучение и конвекция.

Схема возможных вариантов развития пожара в помещении приведена на рис. 6.7.

Как было показано выше, начальная стадия пожара может протекать по двум вариантам: 1.А (если объем помещения достаточно большой) и 1.Б (если помещение небольшое). В небольшом помещении развитие пожара может протекать с образованием общей вспышки. После возможны следующие варианты: если приток воздуха достаточный – интенсивное горение всего объема помещения (1.Б.1), если помещение герметичное – затухание (1.Б.2) и если приток воздуха недостаточный для горения – колебательный режим затухания и интенсификации горения (1.Б.3). Последние два варианта могут сопровождаться обратной вспышкой. На основной стадии пожара после некоторого увеличения температуры пожара (2а) параметры пожара достигают максимума (2б). Уменьшение значений указанных параметров пожара происходит на конечной стадии пожара (3).

Вопросы для самоконтроля

1. Какие пожары называют регулируемыми нагрузкой, какие – вентиляцией?

2. Перечислите стадии развития пожара в помещении.

3. Как влияет объем помещения на развитие пожара?

4. Когда может наступить и чем характерна общая вспышка?

5. В каком случае после общей вспышки возможно затухание пожара?

6. Какое явление называют обратной вспышкой? Когда оно может наступить?

7. Опишите особенности основной и конечной стадии пожара в помещении.

8. Какие способы участвуют в развитии пожара в помещении, какие из них являются доминирующими?

Рис. 6.7. Схема вариантов развития пожара в помещении